一種載貨汽車平順性不穩(wěn)定問題解決方法

鄧聚才，劉夫云，伍建偉，陳志寧，馮哲（ 東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，柳州 545005； 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 54004）

一種載貨汽車平順性不穩(wěn)定問題解決方法

鄧聚才1，劉夫云1，伍建偉2，陳志寧1，馮哲1（1 東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，柳州 5450052； 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

針對(duì)某型號(hào)自卸載貨汽車存在平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)影響載貨汽車平順性穩(wěn)定性的深層次原因進(jìn)行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，很可能是鋼板彈簧存在的非線性動(dòng)剛度導(dǎo)致了其平順性不穩(wěn)定。建立了鋼板彈簧非線性動(dòng)剛度模型，在此基礎(chǔ)上，建立了載貨汽車非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型，開發(fā)了非線性動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真程序并進(jìn)行載貨汽車非線性動(dòng)力學(xué)仿真。結(jié)果表明，鋼板彈簧非線性動(dòng)剛度在滿足一定條件下會(huì)導(dǎo)致載貨汽車平順性的不穩(wěn)定。提出了通過改善鋼板彈簧非線性動(dòng)剛度特性來解決載貨汽車平順性不穩(wěn)定問題的措施，并以上述型號(hào)自卸車為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，成功解決了該車型平順性不穩(wěn)定問題。

載貨汽車；平順性；穩(wěn)定性；動(dòng)剛度；非線性

DENG Ju-cai

1

， LIU Fu-yun

2

， WU Jian-wei

2

， CHEN Zhi-ning

1

， FENG Zhe

1

（1. Commercial vehicle technology center， Dongfeng Liuzhou Motor CO.， LTD.Liuzhou，545005，China2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， 541004， China）

鄧聚才

高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于武漢工學(xué)院（現(xiàn)武漢理工大學(xué)），獲工學(xué)碩士學(xué)位； 現(xiàn)任東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心副主任， 研究方向：汽車開發(fā)項(xiàng)目管理、商用車設(shè)計(jì)開發(fā)、FEM、NVH。

1　前言

平順性是指保持汽車在行駛過程中由于路面不平度和發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及車輪等旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響；在一定的界限之內(nèi)，對(duì)于載貨汽車還包括保持運(yùn)載貨物完好的性能。汽車行駛過程中的振動(dòng)不僅會(huì)降低車輛的使用壽命，增加維護(hù)成本；也會(huì)影響到乘員的身體健康和運(yùn)輸貨物的完整性；還會(huì)影響到車輛的動(dòng)力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，車輛的平順性已成為現(xiàn)代運(yùn)載車輛的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來，載貨汽車向高品質(zhì)方向發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，客戶對(duì)車輛舒適性的高要求使得車輛的平順性成為各大廠商關(guān)注的主要性能指標(biāo)之一。因此，提高載貨汽車的平順性，從而提升其舒適性和整車性能，對(duì)增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

近年來，學(xué)者們對(duì)載貨汽車平順性仿真方法進(jìn)行了研究，并取得了積極進(jìn)展［1-6］。目前的文獻(xiàn)多數(shù)集中于對(duì)影響平順性的因素進(jìn)行仿真和匹配優(yōu)化，很少涉及平順性穩(wěn)定性等深層次問題。

本文針對(duì)某型號(hào)載貨汽車平順性存在時(shí)好時(shí)壞，平順性不穩(wěn)定的問題進(jìn)行研究。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，鋼板彈簧動(dòng)剛度的非線性是導(dǎo)致其平順性不穩(wěn)定的主要原因。提出了改變鋼板彈簧動(dòng)剛度特性來改善載貨汽車平順性不穩(wěn)定問題的措施。最后將上述方法和措施應(yīng)用于上述型號(hào)載貨汽車，有效地改善了該型號(hào)載貨汽車平順性的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了所提出的方法和措施的有效性。

2　平順性不穩(wěn)定的原因分析及改進(jìn)措施

2.1存在的問題

某型號(hào)自卸車，普遍存在平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象——即車輛行駛狀態(tài)基本維持不變，車輛平順性發(fā)生時(shí)好時(shí)壞的突變現(xiàn)象。該車型的同一輛車，在相同路面，不同時(shí)間多次測(cè)試的平順性測(cè)試結(jié)果存在不一致現(xiàn)象。更為甚者，同一輛車，在平直高速路面，同一次測(cè)試，不同時(shí)間段的平順性測(cè)試結(jié)果也存在時(shí)好時(shí)壞現(xiàn)象。在某個(gè)時(shí)間段，其平順性較好，另外一個(gè)時(shí)間段，平順性突然變差，再過一段時(shí)間，平順性又變好，如此反復(fù)，且平順性突變沒什么規(guī)律可循。某路試車型2次測(cè)試的平順性結(jié)果如圖1所示：

由圖1可以看出，該型號(hào)載貨汽車在低速段平順性指標(biāo)明顯偏大，且存在比較明顯的平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象，平順性不穩(wěn)定性的主觀感受非常明顯。

根據(jù)以往解決平順性問題的方法和經(jīng)驗(yàn)，采取了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置解耦優(yōu)化、前橋減振器阻尼比優(yōu)化、駕駛室懸置優(yōu)化、增大前橋減振器低速段阻尼等措施，平順性指標(biāo)在原有基礎(chǔ)上有改善，但該型號(hào)車型平順性不穩(wěn)定問題一直沒有得到有效解決。

2.2原因分析

作者在前期研究工作中，對(duì)載貨汽車平順性提升方法進(jìn)行了較深入研究，提出了提高前橋懸架低相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度段阻尼的平順性及其穩(wěn)定性改善措施、提出了司機(jī)座椅固有頻率錯(cuò)開前橋懸架偏頻、合理設(shè)置座椅阻尼，降低座椅低頻振動(dòng)傳遞率的平順性改善措施。并成功解決了某型號(hào)載貨汽車平順性指標(biāo)不達(dá)標(biāo)問題［3］。

在文獻(xiàn)［3］基礎(chǔ)上，對(duì)引起上述型號(hào)自卸車平順性不穩(wěn)定的深層次原因進(jìn)行了分析。經(jīng)過分析得知，該型號(hào)自卸車鋼板彈簧動(dòng)剛度存在明顯的非線性特性；此外，由于輪胎和車橋存在動(dòng)不平衡和幾何偏心，車輛在行使時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性的簡(jiǎn)諧激勵(lì)。經(jīng)過分析認(rèn)為，很可能是鋼板彈簧的非線性剛度特性和周期性的簡(jiǎn)諧激勵(lì)導(dǎo)致了該型號(hào)載貨汽車平順性的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.3載貨汽車非線性振動(dòng)仿真

對(duì)上述型號(hào)載貨汽車鋼板彈簧動(dòng)剛度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該型號(hào)載貨汽車鋼板彈簧存在明顯的非線性特性。由于該車型平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生在時(shí)速35-45公里區(qū)間，時(shí)速在35-45公里時(shí)，對(duì)應(yīng)的輪胎動(dòng)不平衡和幾何偏心所產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激勵(lì)頻率在3 Hz-4 Hz左右。為節(jié)省篇幅， 這里僅以該車型鋼板彈簧在激勵(lì)頻率分3Hz，3.5Hz， 4 Hz激勵(lì)下的動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果為例，不同激勵(lì)頻率下動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1　鋼板彈簧動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果

對(duì)該型號(hào)載貨汽車鋼板彈簧動(dòng)剛度曲線進(jìn)行擬合，這里以2次曲線進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合，可以得知，該型號(hào)鋼板彈簧動(dòng)剛度存在明顯的非線性。為減少篇幅，這里僅以簡(jiǎn)諧激勵(lì)頻率為3 Hz（對(duì)應(yīng)35公里時(shí)速時(shí)輪胎產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激勵(lì)）的鋼板彈簧動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果為例， 利用Matlab 對(duì)其動(dòng)剛度曲線進(jìn)行2次多項(xiàng)式擬合，得到擬合的鋼板彈簧動(dòng)剛度表達(dá)式為

根據(jù)載貨汽車的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用ADAMS和MATLAB Simulink 建立載貨汽車整車動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真模型，仿真模型如圖2所示：

開發(fā)了數(shù)值仿真程序。在載貨汽車輪胎與地面接觸處施加隨機(jī)路面位移激勵(lì)（路面等級(jí)設(shè)定為B級(jí)路面），在鋼板彈簧與車橋接觸處施加頻率為3 Hz的簡(jiǎn)諧力激勵(lì)。對(duì)載貨汽車非線性動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了載貨汽車非線性動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真結(jié)果。數(shù)值仿真結(jié)果表明，當(dāng)鋼板彈簧存在非線性動(dòng)剛度特性，當(dāng)阻尼滿足一定條件時(shí)（懸架阻尼比小于0.25），載貨汽車平順性會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。 這里仍以3 Hz激勵(lì)的鋼板彈簧動(dòng)剛度曲線為例，將動(dòng)剛度曲線表達(dá)式（3）以及車型其他參數(shù)代入仿真模型，得到非線性動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果如圖3所示：

圖3中，橫坐標(biāo)為簡(jiǎn)諧激勵(lì)力的幅值，單位為牛頓，簡(jiǎn)諧激勵(lì)的頻率為3 Hz；縱坐標(biāo)為位移響應(yīng)幅值，單位為米；藍(lán)色曲線表示激勵(lì)從小到大變化時(shí)，位移響應(yīng)隨激勵(lì)變化曲線；紅色曲線表示激勵(lì)從大到小變化時(shí)，位移響應(yīng)隨激勵(lì)變化曲線。

從圖3可以看出，當(dāng)采用鋼板彈簧動(dòng)剛度曲線，且阻尼值滿足一定條件時(shí)，載貨汽車在路面隨機(jī)激勵(lì)及簡(jiǎn)諧激勵(lì)下會(huì)出現(xiàn)明顯的響應(yīng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.4平順性不穩(wěn)定性解決措施及應(yīng)用舉例

通過對(duì)影響載貨汽車平順性穩(wěn)定性的原因進(jìn)行分析，決定采取降低鋼板彈簧動(dòng)剛度非線性特性的措施來改善載貨汽車平順性的穩(wěn)定性。

目前，企業(yè)解決鋼板彈簧動(dòng)剛度非線性的措施主要有三種，一是通過將多片鋼板彈簧改為少片鋼板彈簧來降低其動(dòng)剛度非線性，二是通過加長(zhǎng)鋼板彈簧的長(zhǎng)度來降低其動(dòng)剛度的非線性，三是通過在鋼板彈簧卷耳處增加一個(gè)橡膠襯套來改善鋼板彈簧動(dòng)剛度非線性特性?？紤]到成本和改裝方便程度，決定采用少片鋼板彈簧代替多片鋼板彈簧方案來降低鋼板彈簧動(dòng)剛度非線性，并最終解決載貨汽車平順性不穩(wěn)定問題。

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用長(zhǎng)度以及靜剛度均與多片簧相同的少片鋼板彈簧代替多片簧，并裝車路試，得到整改前后的平順性結(jié)果對(duì)比情況如圖4所示：

由圖4可以看出，整改后的車型，平順性及其穩(wěn)定性得到明顯改善，低速段平順性峰值在原有基礎(chǔ)上降低40%以上，且沒有出現(xiàn)平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象，車輛的舒適性得到明顯提高。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響載貨汽車平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象的深層次原因進(jìn)行了分析。通過建立載貨汽車振動(dòng)仿真模型并開發(fā)仿真優(yōu)化程序，對(duì)非線性動(dòng)剛度對(duì)平順性穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了仿真分析，找到了解決載貨汽車平順性不穩(wěn)定現(xiàn)象的理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出了通過改變鋼板彈簧非線性動(dòng)剛度曲線來改善載貨汽車平順性穩(wěn)定性的措施。以某型號(hào)載貨汽車為例，對(duì)提出的方法和措施進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，有效地改善了該型號(hào)載貨汽車的平順性穩(wěn)定性，對(duì)解決其他車型平順性問題具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

［1］龐輝，李紅艷，方宗德，等. 駕駛室懸置系統(tǒng)對(duì)重型車輛平順性影響的試驗(yàn)研究［J］. 汽車技術(shù)，2010，41（11）：52-56.

［2］李惠彬， 劉亞彬 ，上官云飛. 基于A D A M S的重型載貨汽車平順性仿真研究［J］. 重型汽車，2007，28（5）：10-12.

［3］鄧聚才，馮哲， 劉夫云. 某載貨汽車振動(dòng)控制與平順性提升方法［J］. 汽車技術(shù)， 2014， 45（3）：10-12，30.

［4］邵 磊， 傅幸民， 姚雪梅， 等. 工程車輛ADAMS建模與平順性仿真［J］. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，3（2）：144-148.

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專家推薦

龍芬南：

該文基于對(duì)一具體汽車產(chǎn)品上出現(xiàn)的平順性多變情況，通過試驗(yàn)驗(yàn)證、理論分析，針對(duì)性地建立動(dòng)力學(xué)仿真模型和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，找出了該產(chǎn)品平順性不穩(wěn)定的原因，提出了解決思路并應(yīng)用于該產(chǎn)品的平順性改善，解決了平順性不穩(wěn)定問題。對(duì)汽車平順性研究有較好的參考價(jià)值。

A Solving Method of Ride Comfort Instability of Heavy Truck

Aimmingat the problem that the ride comfort of a type of dumper lorry having the instability phenomenon， the deep-rooted reasons which influence the stability of ride comfort are analyzed. It is found that it is possibly because ofthe nonlinear stiffness of leaf spring leading to the instabiity of ride comfort. The nonlinear stiffness model of leaf spring is estalished. The nonlinear dynamics equation of heavy truck is built， and the numerical simulation program is developmented，the numerical solution of nonlinear dynamics equations is solved. Results shows that if the nonlinear stiffness meet the certain conditions， it will lead to the instability phenomennon of the ride comfort of heavy truck.. The measure ， modifying the leaf spring nonlinear stiffness curve，to avoid the instability phenomenon is proposed. As an example， the method is applied to a type of heavy truck ， the instability problem of ride comfort is successfully solved，and the method is validated.

Heavy truck； ride comfort； stability； dynamic stiffness； nonlinear

U461.4； TH113

A

1005-2550（2015）03-0023-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.005

2014-11-24