廂式運輸車駕駛室懸置參數(shù)的優(yōu)化與匹配分析

李秀山，曾發(fā)林，劉漢光，唐傳政，朱亮亮

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2. 徐州工程機械研究院，江蘇 徐州，221004)

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廂式運輸車駕駛室懸置參數(shù)的優(yōu)化與匹配分析

李秀山1，曾發(fā)林1，劉漢光2，唐傳政1，朱亮亮1

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2. 徐州工程機械研究院，江蘇 徐州，221004)

利用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立廂式運輸車駕駛室懸置多剛體動力學(xué)仿真模型，以駕駛室地板處加速度均方根值為評價對象，并且利用正交設(shè)計原理與ADAMS仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，對原車駕駛室懸置隔振系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與匹配問題進行研究。在B級路面上分別進行了5種車速下的仿真計算，并提出對原車駕駛室懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果表明該方案能夠明顯改善整車的行駛平順性，解決了原車隔振效果差的問題。

車輛工程；駕駛室懸置；多體動力學(xué)；正交試驗；參數(shù)優(yōu)化；平順性

某廂式運輸車如圖1，其半浮式駕駛室懸置系統(tǒng)是參考國內(nèi)同類車型進行模仿設(shè)計的，由于對國內(nèi)同類型車輛的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計要求、設(shè)計背景和車輛使用環(huán)境等了解不夠全面，因而該車輛的平順性較差，不能滿足人體舒適性要求，因此需要對車輛的平順性進行改進。結(jié)合企業(yè)的實際需要，改變駕駛室懸置類型，改為全浮式駕駛室懸置，利用ADAMS軟件對原車進行仿真，并將仿真結(jié)果與正交設(shè)計理論相結(jié)合進行參數(shù)優(yōu)化與匹配[1]，對車輛駕駛室懸置系統(tǒng)的彈簧與減振器的參數(shù)進行重新選擇和匹配，取得了良好效果。

筆者利用ADAMS技術(shù)[2]，建立了基于振動舒適性道路試驗的整車動力學(xué)模型，并應(yīng)用正交設(shè)計試驗方法對該車型的駕駛室懸置進行參數(shù)優(yōu)化與匹配，將仿真試驗與道路試驗結(jié)果對比[3]，找出最優(yōu)組合，改善了原車平順性較差的狀況，提高了該車的乘坐舒適性，為國內(nèi)應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)進行整車平順性的研究提供了借鑒參考。

圖1 試驗樣車Fig.1 Test vehicle

1 整車虛擬樣機的建立及驗證

1.1 整車模型的建立

根據(jù)企業(yè)提供的CAD模型，應(yīng)用多體動力學(xué)軟件ADAMS/View模塊建立整車的虛擬樣機模型，整車模型包括駕駛室懸置系統(tǒng)及車架、駕駛室、前后懸架、輪胎、轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)。其中駕駛室作為剛體考慮，為簡化模型，減少建模的難度，駕駛室前懸置螺旋彈簧與阻尼都用襯套代替，具體做法是在駕駛室前懸置上托架與下托架之間添加襯套。虛擬樣機整車模型如圖2，建立的駕駛室懸置多剛體動力學(xué)仿真模型如圖3。

圖2 虛擬樣機整車模型Fig.2 Virtual prototype model of the vehicle

圖3 駕駛室動力學(xué)模型Fig.3 Cab dynamic model

1.2 振動舒適性道路試驗

為了驗證ADAMS/View中建立的駕駛室懸置模型的正確性，對廂式運輸試驗樣車進行了振動舒適性道路試驗[4]。試驗樣車以不同車速在瀝青路面(B級路面)上行駛時駕駛室地板的振動加速度和車廂地板的振動加速度。試驗時廂式車分別以30，40，50，60，70 km/h在瀝青路面上進行振動舒適性道路試驗。將加速度傳感器布置在駕駛室的各個測量點，測點布置形式如圖4，采集各測點的傳感器振動加速度數(shù)據(jù)。

圖4 傳感器布置點Fig.4 Sensor placement point

1.3 仿真模型的驗證

由于試驗樣車駕駛室懸置為半浮式懸置，且企業(yè)缺少該車駕駛室懸置力學(xué)特性參數(shù)，結(jié)合企業(yè)要求將該車駕駛室懸置設(shè)計為全浮式懸置。由于沒有具體參數(shù)無法通過仿真驗證建立的駕駛室懸置模型正確與否，故而通過對車廂地板中心點的振動加速度來驗證整車模型(除了駕駛室)的是否正確。

在ADAMS/View中整車在滿載情況下分別以40，50，60，70 km/h速度在B級路面上行駛時，測量車廂地板中心點的垂向加速度均方根值，將該測點垂向的加速度均方根值與試驗樣車的車廂地板中心垂向加速度均方根值的功率譜密度曲線進行對比[5]，如圖5。為對比更清楚，將線性坐標改為雙對數(shù)坐標描述，從圖5中可看出，在低頻范圍內(nèi)(0～10 Hz)，仿真曲線與試驗曲線基本吻合。

圖5 車廂地板中心垂向加速度實驗值和仿真值的功率譜密度對數(shù)對比曲線Fig.5 Power spectrum density logarithmic contrast curve of the floor center vertical acceleration test value and simulation value

在3 Hz以下，人對水平方向的振動比垂直方向更為敏感。由于俯仰角振動會引起水平振動，對商用車來說俯仰振動對平順性影響很大，因此為了改善平順性，應(yīng)盡量減小俯仰角加速度。測量車廂中心點的橫向角加速度，將該測點橫向的角加速度與試驗樣車的車廂中心角加速度的功率譜密度曲線進行對比，如圖6。同樣為了對比更清楚，將線性坐標改為雙對數(shù)坐標描述，從圖中可以看出，在低頻范圍內(nèi)(0～10 Hz)，仿真曲線與試驗曲線基本吻合。

圖6 車廂中心角加速度實驗值和仿真值的功率譜密度對數(shù)對比曲線Fig.6 Power spectrum density logarithmic contrast curve of the car central angle acceleration test value and simulation value

由于未建立座椅模型，考慮到實際需要，選取駕駛室地板垂直方向的加權(quán)加速度均方根值來評價駕駛室的舒適性。仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比如表1。由表1可知，樣車以不同車速仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差在10%以內(nèi)，證明所建立的懸架系統(tǒng)仿真模型是正確的。

表1 實車與仿真試驗車廂地板中心振動加速度對比

2 優(yōu)化方法

2.1 正交試驗

正交試驗設(shè)計是利用標準化的正交表進行科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法[6]，其主要優(yōu)點是能在很多試驗方案中挑選出代表性強的少數(shù)幾個試驗方案，并且通過這少數(shù)試驗方案的試驗結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案，同時還可以作進一步的分析，得到比試驗結(jié)果本身給出的還要多的有關(guān)各因素的信息。

2.2 駕駛室懸置參數(shù)正交試驗優(yōu)化分析

根據(jù)國標ISO2631[4]，用加權(quán)加速度均方根值來評價振動對人體舒適性的影響，而ADAMS中并沒有直接的加權(quán)加速度均方根值評價目標。筆者利用MATLAB軟件編寫程序，根據(jù)ISO2631，在0.5～80 Hz內(nèi)，按照1/3倍頻帶的加權(quán)系數(shù)對駕駛室地板處的功率譜進行加權(quán)，得到垂直方向的加權(quán)加速度均方根值，以此為評價目標，進行正交試驗優(yōu)化[7]。

根據(jù)工程應(yīng)用的實際，選擇前懸置剛度、前懸置阻尼、后懸置剛度、后懸置阻尼為設(shè)計變量，因試驗樣車的駕駛室懸置系統(tǒng)螺旋彈簧剛度與前后減震器阻尼不等，但左右對稱，所以取4個變量為因素，每個因素分為4個水平，選取駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w和駕駛室地板垂直方向加速度均方根值RMS為試驗指標。

表2 設(shè)計變量

2.3 優(yōu)化分析結(jié)果及分析

本次試驗為4因素4水平試驗，不考慮交互作用，4因素共占4列，選L16(45)最合適，并有1空列，可以作為試驗誤差以衡量試驗的可靠性。考察試驗樣車以60 km/h的速度行駛時各因素的不同水平對駕駛室地板處的加權(quán)加速度均方根值的影響。表3給出16次仿真得到的駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w、駕駛室地板垂直方向均方根值RMS及分析結(jié)果。

表3 L16(45)駕駛室懸置參數(shù)正交試驗方案與分析結(jié)果

注：Ki是某個因素所在列的第i水平的評價指標的平均值；R為Awi與RMSi中的極大值與極小值的差。

由試驗數(shù)據(jù)可看出，在第3號試驗(A1B3C3D3)的試驗條件下，測得的駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w最小(0.478 1 m/s2);在第4號試驗(A1B4C4D4)的試驗條件下，測得的駕駛室地板垂向均方根值RMS最小(0.728 3 m/s2)。以上兩指標單獨分析出的優(yōu)化條件不一致，必須根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳試驗條件。

根據(jù)正交試驗理論，極差越大，因素對評價目標的影響越大，因此四個因素對駕駛室地板處的加權(quán)加速度均方根值與加速度均方根值的影響大小順序為：(主)A>B>D>C(次)。根據(jù)正交試驗的分析結(jié)果可推斷出前后懸置的剛度與阻尼的最佳匹配為：A1B3C2D3，即駕駛室懸置參數(shù)設(shè)置，見表4。試驗中并沒有此種組合，再次仿真可得此種組合下，與試驗原車對比，駕駛室地板處加權(quán)加速度與加速度均方根值分別改善了64.59%，41.26%，見表5。說明優(yōu)化后的懸置參數(shù)可以有效地提高駕駛員的乘駕舒適性，如圖7。

表4 駕駛室懸置參數(shù)設(shè)置

表5 改進百分比

Table 5 Improve percentage

圖7 優(yōu)化前后駕駛室地板加速度時域曲線對比Fig.7 Contrast acceleration time-domain curve of cab floor before and after optimization

3 結(jié) 論

1)筆者利用正交試驗與ADAMS技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化方法對于解決駕駛室懸置系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化問題的有效性，提出了解決這類問題的方法和思路，為今后解決該類問題提供了參考。

2)筆者沒有考慮到剛度與阻尼之間的交互式關(guān)系對于優(yōu)化目標的影響，因此對駕駛室懸置參數(shù)匹配的精度有一定的影響，在以后的研究中應(yīng)給予考慮。

3)利用正交設(shè)計試驗，得出該廂式運輸車駕駛室懸置參數(shù)最優(yōu)組合，按照該組合仿真得出結(jié)論，與試驗原車對比，駕駛室地板處加權(quán)加速度與加速度均方根值分別改善了64.59%，41.26%，說明優(yōu)化后的懸置參數(shù)可以有效地提高駕駛員的乘駕舒適性。

[1] 趙永輝,馬力,朱祝英.商用車全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].噪聲與振動控制,2007(3):83-85. Zhao Yonghui,Ma Li,Zhu Zhuying.Optimal design of full float cab suspension system of commercial vehicles[J].Noise and Vibration Control,2007(3):83-85.

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Optimizing and Matching Analysis of Suspension Parameters of Van Truck Cab

Li Xiushan1, Zeng Falin1, Liu Hanguang2, Tang Chuanzheng1, Zhu Liangliang1

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou 221004, Jiangsu, China)

Multi-body dynamics simulation model of van truck cab suspension was established by using multi-body dynamics software ADAMS. Appreciation of the cab floor acceleration RMS, combining the orthogonal design with ADAMS simulation, it researches on vibration isolation system parameters optimization and matching problem of the van truck cab suspension. On theBgrade road, simulations at five different speeds were respectively calculated, and the optimization scheme of the original car cab suspension system parameters was put forward. The results of optimization show that the scheme can obviously improve the vehicle ride comfort and the effect of original vehicle vibration isolation.

vehicle engineering; cab suspension; multi-body dynamics; orthogonal experiment; parameter optimization; comfort

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.31

2013-03-31；

2013-04-19

李秀山(1987—)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事汽車CAE及平順性方面的研究。E-mail:wsstudent163@163.com。

U461.4

A

1674-0696(2015)02-144-04