振動(dòng)除冰車駕駛員舒適性的優(yōu)化分析

萬義強(qiáng)，黃 華，姜 宏

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

振動(dòng)除冰車駕駛員舒適性的優(yōu)化分析

萬義強(qiáng)，黃 華，姜 宏

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

以某型振動(dòng)除冰車為研究對(duì)象，建立整車模型，以駕駛員在不同頻率下振動(dòng)除冰作業(yè)及高速轉(zhuǎn)場(chǎng)中所受到的垂直振動(dòng)加速度均方根值為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)比3種工況下的區(qū)別，對(duì)駕駛室懸置阻尼進(jìn)行優(yōu)化，提出取值方案，以提高駕駛員的舒適性，提高工作效率.

除冰車；阻尼；MATLAB；舒適性

振動(dòng)除冰車在執(zhí)行除冰作業(yè)時(shí)，由振動(dòng)輪和路面激勵(lì)所引起的振動(dòng)會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生一定的影響，使駕駛員舒適性和工作效率降低，甚至對(duì)駕駛員的健康產(chǎn)生危害.以某型除冰車為例，以駕駛員脊椎位置的垂直方向的加速度均方根值為目標(biāo)函數(shù)，使用理論計(jì)算的方法[1-5]，對(duì)比3種工況下加速度均方根值隨阻尼比變化的情況，分析得到阻尼比的優(yōu)化取值方案.

1 除冰車動(dòng)力學(xué)模型

除冰車可簡(jiǎn)化為圖1所示的六自由度平面振動(dòng)模型[6].

在建立力學(xué)模型時(shí)做了如下簡(jiǎn)化：①振動(dòng)過程中各部分的振動(dòng)位移都是在其平衡位置附近的微振動(dòng)；②由于振動(dòng)除冰車結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，左、右兩后輪胎接觸的路面的統(tǒng)計(jì)特性可認(rèn)為基本相同，將其簡(jiǎn)化為半車模型；③振動(dòng)除冰車前機(jī)架與后機(jī)架間鉸接點(diǎn)連接在豎直方向上認(rèn)為是剛性的；④各級(jí)減振元件都具有線性特性，不考慮非線性.

圖1中，m1為簧載質(zhì)量；m2為駕駛室質(zhì)量；J1為簧載質(zhì)量俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為駕駛室俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；mA為前懸簧下質(zhì)量；mB為后懸簧下質(zhì)量；k1為前懸架剛度；k2為后懸架剛度；kw1為前軸車輪剛度；kw2為后軸車輪剛度；c1為前懸架阻尼；c2為后懸架阻尼；cw1為振動(dòng)輪阻尼；cw2為后軸輪胎阻尼；l為簧載質(zhì)量質(zhì)心與駕駛室質(zhì)心水平距離；l1為簧載質(zhì)量質(zhì)心與前懸水平距離；l2為簧載質(zhì)量質(zhì)心與后懸水平距離；l3為駕駛室質(zhì)心與駕駛室前懸置水平距離；l4為駕駛室質(zhì)心與駕駛室后懸置水平距離；Xc1為簧載質(zhì)量質(zhì)心垂直位移；Xc2為駕駛室質(zhì)心垂直位移；x1為前懸簧下質(zhì)量垂直位移；x2為后懸簧下質(zhì)量垂直位移；φ1為簧載質(zhì)量俯仰角；φ2為駕駛室俯仰角.

圖1 振動(dòng)除冰車動(dòng)力學(xué)模型

2 整車運(yùn)動(dòng)方程的建立和頻響函數(shù)推導(dǎo)

由所建立的模型，應(yīng)用拉格朗日方法，建立多自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程.系統(tǒng)的動(dòng)能、勢(shì)能和耗散功分別為

(1)

(2)

(3)

將以上3式代入拉格朗日方程

(4)

Qi為除保守力以外的力.得到動(dòng)力學(xué)方程

(5)

式中:M、C、K和F(t)分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和激勵(lì)矩陣.

對(duì)上面動(dòng)力學(xué)方程(5)做拉普拉斯變換.

(6)

可求得系統(tǒng)傳遞函數(shù)

(7)

由此推出

(8)

對(duì)振動(dòng)除冰機(jī)模型分析，可求出系統(tǒng)振動(dòng)輪垂直位移q1、驅(qū)動(dòng)輪胎垂直位移q2的兩個(gè)輸入對(duì)駕駛員垂直位移Xc2輸出的傳遞函數(shù)，并令s=jω，得到相應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)

(9)

(10)

按照線性疊加原理，并利用平穩(wěn)隨機(jī)過程的維納-辛欽公式，可推導(dǎo)出振動(dòng)除冰機(jī)在受到垂直振動(dòng)輪位移q1和驅(qū)動(dòng)輪胎垂直位移q2兩個(gè)激勵(lì)時(shí)，駕駛員處垂直響應(yīng)Xc2的功率譜密度

(11)

可以推得振動(dòng)除冰機(jī)的力學(xué)模型中，駕駛員的垂直振動(dòng)加速度相應(yīng)功率譜密度為

(12)

振動(dòng)輪產(chǎn)生的振動(dòng)垂直位移q1(t)=Asin(ωt)，振動(dòng)輪輸入譜密度和路面激勵(lì)譜密度分別為

(13)

(14)

式中：A為振動(dòng)輪垂直位移幅值；ω0為激振角速度；Sq2(n0)為路面不平度系數(shù)；V為車輛行駛速度；n0為參考空間頻率.

以下分工況對(duì)除冰車的乘坐舒適性考察.

(1)當(dāng)進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)，車輛行駛速度為3 km/h，振動(dòng)輪工作頻率分別為20 Hz和30 Hz，振幅為0.004 m的情況，求得

(15)

(2)當(dāng)除冰車正常行駛時(shí)，其行駛速度為11 km/h，振動(dòng)輪不進(jìn)行作業(yè)，選取C級(jí)路面分析求得

(16)

當(dāng)在工況(2)時(shí)，振動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪胎的路面輸入存在一個(gè)時(shí)間差，公式為

(17)

此時(shí)，對(duì)路面輸入進(jìn)行傅里葉變化得到

(18)

(19)

由此推導(dǎo)駕駛員的垂直方向的加速度均方根值arms為

(20)

3 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)除冰車駕駛室懸置，以阻尼比為變量，在3種工況下進(jìn)行優(yōu)化，但剛度的取值首先需要確定.通過剛度匹配計(jì)算發(fā)現(xiàn)，從動(dòng)行程均方根值變化趨勢(shì)來分析，前后懸置剛度取值越大越好，但是從加速度均方根值變化趨勢(shì)來看，卻是與之相反的.在剛度選取時(shí)應(yīng)針對(duì)不同車型具體分析.通過分析得到如下信息：①加速度隨前懸置剛度變化較后懸置剛度變化更為顯著；②后懸置動(dòng)行程隨駕駛室懸置剛度變化顯著； ③駕駛員脊柱位置動(dòng)行程隨前后懸置剛度變化不明顯.

由以上信息得出駕駛室懸置剛度取值方案：前懸置剛度取值盡可能的低且避開車身固有頻率，取值為1.8 Hz，再考慮到駕駛室懸置受其布置位置的影響，后懸置取2.4 Hz.

對(duì)阻尼比進(jìn)行優(yōu)化分析，取駕駛室前后懸置阻尼比相同，分別研究除冰車以不同工作頻率進(jìn)行除冰作業(yè)和正常行駛時(shí)，以駕駛員脊椎位置的加速度為目標(biāo)函數(shù)，分析其最優(yōu)阻尼比，得到多種工況下駕駛員脊椎位置加速度均方根值隨阻尼比的變化曲線.見圖2～圖4.

圖2 11 km/h正常行駛工況

圖3 3 km/h速度，激振頻率為20 Hz的工況

圖4 3 km/h速度，激振頻率為30 Hz的工況

由圖可見，通過數(shù)值仿真結(jié)果得到：在11 km/h工況下，當(dāng)阻尼比為0.28時(shí),駕駛員脊柱位置垂直方向加速度均方根值最小，為1.302 m/s2；3 km/h的速度，20 Hz激振頻率的工況下，當(dāng)阻尼比為0.3時(shí),駕駛員脊柱位置垂直方向加速度均方根值最小，為1.84 m/s2；3 km/h的速度，30 Hz激振頻率的工況下，當(dāng)阻尼比為0.31時(shí),駕駛員脊柱位置垂直方向加速度均方根值最小，為2.068 m/s2.

可見，在轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下，駕駛員脊柱位置垂直方向加速度均方根值較小，當(dāng)除冰車在進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)，加速度均方根值較大，且隨激勵(lì)頻率的增加而增大,且在不同工況下，其最優(yōu)阻尼比有差異.

4 結(jié) 論

以某型除冰車為例，建立了除冰車數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)駕駛員脊椎加速度均方根值.通過計(jì)算分析得到最佳剛度匹配.對(duì)3種工況進(jìn)行分析，得到不同工況下理想的阻尼比.為保證駕駛員的舒適度和工作效率，應(yīng)盡量降低駕駛員脊柱位置垂直方向加速度，因此,在除冰車駕駛室懸置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用可調(diào)阻尼減震器，根據(jù)不同工況對(duì)阻尼比進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)駕駛員舒適度優(yōu)化的目的.如使用非可調(diào)阻尼減震器，應(yīng)根據(jù)其最常用工作工況進(jìn)行選擇，從而使駕駛員長期保持在最優(yōu)的工作環(huán)境中.

[1] 余志生．汽車?yán)碚揫M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2] 秦四成．振動(dòng)壓路機(jī)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[3] 劉方文. 某重型卡車駕駛室懸置匹配分析[D]．長春:吉林大學(xué)，2005.

[4] Manfred Mitschke, Henning Wallentowitz．汽車動(dòng)力學(xué)[M]．陳萌三,譯．北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5] 史廣奎，李 檳，孟憲民．汽車設(shè)計(jì)中減震器相對(duì)阻尼系數(shù)的確定[J]．汽車工程，1995，6(17):367-373.

[6] 徐 琢,李曉雷,呂曉鵬,等．礦車駕駛室懸置剛度匹配計(jì)算[J]．裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014,28(5):39-44.

Optimization Analysis of Driver’s Comfort of a Vibration Deicing Vehicle

WAN Yi-qiang， HUANG Hua, JIANG Hong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Taking a certain type of the vibration de-icing vehicle as the research object, the vehicle model is established. The values of root mean square of the vertical vibration acceleration suffered by the driver are taken as the target functions under different working conditions such as the vibration deicing operation at different frequencies and the high-speed driving. Comparing three different working conditions of them, the damping of cab suspension is optimized, and the scheme for the parameter selection is proposed for improving the comfort of the driver.

de-icing vehicle; damping; MATLAB; ride comfort

1009-4687(2015)04-0009-04

2015-1-20

萬義強(qiáng)(1989-)，男，碩士.

U461

A