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多体动力学仿真让悬架系统更平稳、更安全

作者：LMS国际公司来源：AI汽车制造业

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世界一流的供应商Timoney Technology公司使用LMS Virtual.Lab Motion多体动力学仿真软件设计独立悬架，使得野外建筑车辆的生产量提高50%。他们提出的创新性悬架设计概念可以使车辆在粗糙的路面高速行驶，而且符合驾驶员振动舒适性国家级标准。工程师使用LMS Virtual.Lab Motion多体动力学软件“驾驶”仿真模型在虚拟的路面上行驶，能够在开发早期快速地判定平顺性和操控性。这样，他们能够准确地预测整车的载荷和振动特性，发现问题根源，同时不断地修改悬架设计，使其适合在崎岖的路面上更平稳的行驶。由此可以看出，仿真软件在Timoney公司产品开发中扮演着重要角色，提高了牵引车生产力，使公司在激烈的市场竞争中脱颖而出。

在建筑工地，越野汽车通常不能以最高速度行驶。因为在非常起伏的路面上行驶，驾驶员要承受过量的冲击和振动。这就是职业安全专家通常所说的全身振动（WBV，Whole Body Vibration）：当车辆在颠簸、凹凸不平或者其他不规则的路面上行驶时，驾驶员以立位、坐位或卧位接触传到全身的振动。欧盟协会明确规定：车辆驾驶员所承受的整体振动级不能超过规定的级别。

可实现在颠簸路况高速行驶

Timoney公司宣称，他们的专利悬架产品能够使越野车辆更加平稳地行驶，在大幅度提高速度的同时保持振动水平低于标准极限。通过分解车轮不对称载荷产生的作用力，Timoney公司的双横臂独立悬架降低了驾驶员所承受的横向加速度和垂向加速度。

Timoney公司表示，与采用传统横轴的系统相比较，Timoney的系统能够让车辆在越野路面上平稳地行驶，同时所有车轮的速度可以提高2～3倍。这项技术可以让制造商们的生产力成为市场竞争优势，为客户创造更多的品牌价值。

Timoney工程师特别专注于为铰接式自卸车（ADT）设计独立悬架系统，使其更加平稳的行驶。因为与ADT相关的工作人员更易受到WBV的困扰，他们常常行驶在泥泞、多岩石、多坡和颠簸的路面，这些恶劣的条件常常让传统的自卸车陷入停顿。

正是意识到这一市场潜在的巨大商机，Timoney公司为ADT设计了首个真正的完全的独立悬架系统，并且这一设计成为公司业务的主要支柱。

按照客户需求设计复杂悬架系统

相比刚性结构框架的牵引车，ADT在驾驶车身和翻斗车身之间用万向节铰接在一起，这使得前面和后面的结构框架能够一个相对另外一个纵向转动，同时能够在极其不平整的路面上来回行驶，以及转45°角。此外，不同于其他两轮驱动或者四轮驱动的牵引车，只有ADT是六轮驱动的。六轮驱动以及灵活的操控性使得铰接式自卸车能够在非常崎岖的路面上承受重载荷（见图1）。

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正是由于系统的复杂性，Timoney公司大部分用于ADT的独立悬架是根据客户需求，为每个汽车模型特别设计的。Timoney工程师不断地将高品质悬架系统用于特定的应用中。从这一角度考虑，LMS Virtual.Lab Motion多体仿真技术帮助工程师使用仿真模型设计悬架系统，预测车辆的平顺性和操稳性。仿真工具能够预测在各种路面条件下的车辆振动情况，以及悬架系统的动态性能、J形转弯和其他操纵情况下整车的动力学特性。这样，仿真软件能够精确地计算出关键载荷、加速度和零部件的运动轨迹，并且能够以量化曲线图和动画的形式显示出来，这样为车辆和悬架的整体动态性能提供更有价值的信息。LMS Virtual.Lab Motion还可以进行设计优化，以避免车轮的过量载荷。因为考虑到车辆的整体平顺性和操稳性，每个车轮都必须单独处理。此外，另一个很重要的应用是将悬架系统紧凑地安装在ADT狭小的空间内——通常仅有2.5ｍ宽——比驾驶室的空间还要小。

对于ADT这样复杂的设计来说，在平顺性、操稳性、集成性和成本各个方面达到一个完美的平衡是一项很难的工作。通过使用LMS Virtual.Lab Motion，Timoney公司能够考虑以上各个因素，进行跨属性优化，利用快速重复性仿真功能还可以评估多项设计方案，这样就可以精确地预测动态动力学特性和内部载荷。软件还特别适合于查找很多复杂问题的根源，减少建筑车辆的WBV。结合Timoney公司工程师的丰富经验，LMS Virtual.Lab帮助公司为客户提供适用于各种越野车的悬架系统。

Timoney的独立悬架在每个前轮上装配了长距螺旋弹簧和液压支柱阻尼器，来隔离地面载荷，因此最小化车辆摇摆和驾驶员振动（见图2）。

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图2 Timoney独立悬架的特殊设置

项目采用的技术

在最近的一个项目中，Timoney工程师使用LMS Virtual.Lab Motion为30t的ADT牵引车开发独立的双横臂悬架，来代替前臂式悬架。使用LMS Virtual.Lab Motion创建初始模型，表现已有的牵引车模型。翻斗车身创建为刚性体，与其他部件通过运动副单元连接在一起，其中球连接和销连接模型利用连接单元表示，橡胶衬垫模型利用内衬单元表示，支撑部件和液压缸的阻尼模型利用平动弹簧—阻尼—动作器单元表示，轴旋转停顿点利用接触单元表示。此外，根据轮胎制造商提供的数据，复杂的轮胎单元可以用于计算轮胎在路面上滚动时每个轮胎产生的力。

实体单元在大部分CAD程序中，主要用于复杂部件几何模型。LMS软件能够很清楚地显示需要什么样的输入，才能准确地表示各种部件的参数，例如质量、刚度和摩擦力。在屏幕一侧显示的设计树结构，能够轻松地显示零部件和子装配相互之间的关系。利用这些功能，Timoney工程师能够在LMS Virtual.Lab平台上快速轻松地创建多体模型，实时判定一辆“真实”的车辆如何在“真实”的工作条件下行驶。Timoney公司将零部件集成一体，创建独立悬架模型，来准确地预测装卸车在实际建筑施工现场条件下的性能（见图3）。

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图3 创建独立悬架模型

Timoney工程师编写了Matlab程序来显示ADT常遇到的3种不同类型的路面，在典型的施工现场完成装载荷卸载地点之间的往返运输过程。每个类型的路面，都会在设计树的一个根目录下有详细的标注。

快速设计修改

地形路面仿真可以制作成Excel电子数据表，并且可以简便使用LMS Virtual.Lab样条函数导入仿真模型，利用自动化功能可以进行数据转换，而无须其他的操作。然后，仿真模型就可以在各种速度下“行驶”在虚拟路面上（见图4），软件还可以计算ISO2631定义的驾驶员承受的加速度。验证功能可以将仿真结果与物理试验结果相比较，帮助McFadden快速地验证虚拟模型是否能够准确地预测驾驶员在相似条件下的真实加速度。

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图4 仿真模型以各种速度在“虚拟”路面上行驶

LMS Virtual.Lab Motion能够以多种方式显示输出数据——特别是动画显示——对工程师理解卡车初始设计、鉴定振动问题源来说非常有价值。前臂梁式轴悬架具有较高的侧倾刚度，能够引起车内驾驶员的横向加速度。显然，这一水平的WBV严重限制了驾驶员能够安全地在崎岖路面上行驶的速度极限。为了在侧倾方向提供更多的柔性度，并且尽可能地隔离地面载荷，独立双横臂悬架在虚拟车模型中代替了前臂式悬架，重新运行仿真模型来判定车辆是否能够不超过ISO2631标准中驾驶指数0.8m/s2的最大速度。LMS Virtual.Lab Motion的动画显示结合了关键参数的输出曲线图，为显示客户的问题及其潜在的解决方案提供了非常直观的方式（见图5）。

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图5 上 LMS Virtual.Lab Motion的动画显示

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图5 下 LMS Virtual.Lab Motion的动画显示

几种设计方案需要反复研究，才能了解弹簧、阻尼的尺寸和刚度，直到获得最佳的悬架系统。Timoney工程师利用LMS Virtual.Lab Motion快速地分析这些方案。仅需要输入不同的参数来修改模型，软件会在整个流程中自动考虑这些改变。此外，仅需要一个简单的物理样机试验周期，就可以为用户验证公司的最终产品设计是否符合仿真预测。

提高50%的生产力

根据LMS Virtual.Lab得出的允许的最大速度，采用Timoney公司独立悬架的ADT生产力比其他类似的设备提高50%——生产力的提高远远超过独立悬架的高成本。

综上所述，在在开发悬架的过程中，采用LMS Virtual.Lab Motio多体动力学仿真软件的采用，可以很好地帮助悬架厂商查找出旧系统振动问题的根源，为新的独立悬架系统设计最佳方案的确立提供迅速准确的指导。LMS Virtual.Lab Motion在提供快速、准确的分析结果方面的技术能力，帮助零部件厂商能够快速响应客户需求。独特的动画显示是一项强有力的工具，能够动态地显示新悬架设计与旧的设计相比性能的改善，极大地提高了市场竞争力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/15/2008)


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