某型電動(dòng)客車后輪跳動(dòng)問(wèn)題分析與改進(jìn)

彭旺，李松芙（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

某型電動(dòng)客車后輪跳動(dòng)問(wèn)題分析與改進(jìn)

彭旺，李松芙
（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

介紹某板簧電動(dòng)客車在緊急制動(dòng)工況下的后輪跳動(dòng)問(wèn)題并進(jìn)行原因分析，找出引起該問(wèn)題的根源，并通過(guò)CAE仿真分析提出可行的改進(jìn)方案，順利解決問(wèn)題。

電動(dòng)客車；緊急制動(dòng)；后輪跳動(dòng)；板簧懸架

在開(kāi)發(fā)某板簧電動(dòng)客車過(guò)程中，樣車性能測(cè)試階段，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行緊急制動(dòng)工況時(shí)后輪出現(xiàn)嚴(yán)重跳動(dòng)現(xiàn)象。之前有學(xué)者使用試錯(cuò)法，通過(guò)增加減振器減弱抖動(dòng)，但沒(méi)有從根源上解決問(wèn)題[1]。本文分析這種跳動(dòng)的產(chǎn)生的根源，并給出從根源上解決問(wèn)題的方案。

1 問(wèn)題描述及原因分析

某板簧客車在干燥的水泥路面，在ABS開(kāi)啟的情況下，以30 km/h以上車速進(jìn)行緊急制動(dòng)[2]（縱向減速度達(dá)到1 g）時(shí)，出現(xiàn)后輪跳動(dòng)的現(xiàn)象，而在進(jìn)行一般強(qiáng)度的制動(dòng)時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象；在干燥的瀝青路面，在ABS開(kāi)啟的情況下，以60 km/h以上車速進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)后橋跳動(dòng)現(xiàn)象，車速較低時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)跳動(dòng)的現(xiàn)象。

分析以上現(xiàn)象可知，該車型只要制動(dòng)強(qiáng)度足夠大使得后輪抱死，才會(huì)出現(xiàn)后輪跳動(dòng)的現(xiàn)象。水泥路面比瀝青路面硬，制動(dòng)時(shí)后輪更容易出現(xiàn)抱死，所以在水泥路面速度較低時(shí)就出現(xiàn)了跳動(dòng)的現(xiàn)象。推測(cè)如果關(guān)掉ABS估計(jì)跳動(dòng)問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。為了驗(yàn)證推測(cè)，關(guān)掉ABS后重新進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 ABS關(guān)閉后兩種路面試驗(yàn)抖動(dòng)對(duì)比主觀評(píng)價(jià)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，ABS關(guān)閉后跳動(dòng)問(wèn)題變得更加嚴(yán)重了。由于關(guān)閉ABS后，車輛后輪更加容易出現(xiàn)抱死，從而導(dǎo)致跳動(dòng)變得更加嚴(yán)重。這證實(shí)了是由于車輛制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，如果出現(xiàn)后輪抱死則會(huì)導(dǎo)致后輪跳動(dòng)的結(jié)論。后來(lái)也在低附濕滑路面進(jìn)行類似的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車輛在低強(qiáng)度時(shí)輪胎抱死并不會(huì)出現(xiàn)后輪跳動(dòng)的現(xiàn)象。

為了從數(shù)據(jù)上分析產(chǎn)生這種跳動(dòng)的原因，需要對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行加速度測(cè)量。加速度傳感器安裝位置分別是板簧（左上）、后輪心（右上）、后橋（左下）和地板（右下）。測(cè)試工況為ABS關(guān)閉下，在瀝青路面上進(jìn)行車速分別為20 km/h、30 km/h、40 km/h的緊急制動(dòng)測(cè)試。由于車速為40 km/h時(shí)后輪跳動(dòng)已經(jīng)很激烈，為了避免損壞設(shè)備就不再進(jìn)行更高車速的測(cè)試了。時(shí)域的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)商業(yè)軟件Ncode進(jìn)行頻譜分析[3]后，得到加速度響應(yīng)的頻率變化特性，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 加速度峰值頻率統(tǒng)計(jì)圖表

由試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，不同車速下的簧下質(zhì)量（輪心、后橋、板簧）的跳動(dòng)頻率主要發(fā)生在15 Hz和30 Hz附近；簧上質(zhì)量（車身地板）跳動(dòng)頻率發(fā)生在2.7 Hz和30 Hz附近。通過(guò)分析制動(dòng)力的傳遞路徑發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)力從地面?zhèn)鬟f到車輪和車橋，再經(jīng)過(guò)板簧傳遞到車身，傳遞的過(guò)程中造成板簧自身變形很大，所以需要分析后懸架系統(tǒng)自身的頻率特性。

2 仿真研究和優(yōu)化

為了分析整車以及系統(tǒng)的固有頻率，在Adams/car[4-5]中建立整車動(dòng)力學(xué)模型，用有限元軟件將板簧單片建成柔性，在Adams中組裝起來(lái)，簧片之間用VFORCE模擬接觸力，建成和其他底盤和車身系統(tǒng)組裝成整車剛?cè)狁詈螦dams/car模型，如圖1所示。用該模型進(jìn)行整車模態(tài)分析可以得到整車的模態(tài)振型和固有頻率。由于制動(dòng)跳動(dòng)過(guò)程中整車先發(fā)生俯仰，然后后橋出現(xiàn)跳動(dòng)，所以重點(diǎn)關(guān)注整車俯仰方向的模態(tài)頻率和懸架跳動(dòng)的局部模態(tài)頻率。通過(guò)模態(tài)分析[6]可得，整車俯仰方向的模態(tài)頻率為2.44 Hz；后懸架跳動(dòng)模態(tài)頻率為15.1 Hz；前懸架縱向移動(dòng)和跳動(dòng)復(fù)合振型頻率為31.3 Hz。通過(guò)剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，可以得到試驗(yàn)過(guò)程中加速度幅值峰值頻率對(duì)應(yīng)的振型，為分析問(wèn)題的根源和改進(jìn)方案提供依據(jù)。

圖1 整車剛?cè)狁詈螦dams/car模型

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，峰值最大的主頻率為15.1 Hz，另外對(duì)縱向加速度分析也可以得到主頻率為14.6 Hz?？梢?jiàn)制動(dòng)過(guò)程中輪胎抱死后路面對(duì)輪胎的縱向激勵(lì)與簧下跳動(dòng)頻率接近是造成該跳動(dòng)問(wèn)題的主要原因。為了進(jìn)一步分析模態(tài)分布情況，對(duì)40 Hz以下低頻率的模態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3中改進(jìn)前的結(jié)果所示，局部模態(tài)頻率在12 Hz和15 Hz都出現(xiàn)后輪跳動(dòng)，局部模態(tài)之間間隔不夠大容易產(chǎn)生局部振型之間共振。路面的激勵(lì)和簧下懸架跳動(dòng)頻率接近，同時(shí)局部模態(tài)共振共同影響使得后輪跳動(dòng)。

為了避免局部模態(tài)和路面激勵(lì)之間共振，需要使得路面的激勵(lì)和局部模態(tài)錯(cuò)開(kāi)3 Hz以上。同時(shí)為了避免局部模態(tài)之間的共振，局部模態(tài)之間也必須錯(cuò)開(kāi)3 Hz以上。為了改善該跳動(dòng)問(wèn)題必須提高后懸架跳動(dòng)的頻率，同時(shí)消除部分局部模態(tài)。從汽車?yán)碚揫7]可知，車輪跳動(dòng)的圓頻率公式：

其中：k為垂向剛度；kt為輪胎垂向剛度；m1為簧下質(zhì)量。

從式（1）可知，影響該圓頻率最大的因素是簧下質(zhì)量。從圖2后懸架[8]模型可知，后橋上連接一個(gè)質(zhì)量塊很大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而電機(jī)和車身之間沒(méi)有任何連接，可見(jiàn)這種布置會(huì)使得后懸架跳動(dòng)頻率降低。輪胎垂向剛度一般是板簧垂向剛度的3倍多，輪胎選型后一般不作更改。根據(jù)式（1），如果單從板簧剛度上調(diào)整效果不明顯，則需要從簧下質(zhì)量布置上提出優(yōu)化的方案。為了改變懸架跳動(dòng)的局部模態(tài)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝靠近板簧前端，即使大質(zhì)量塊靠近懸架跳動(dòng)的中心位置，改進(jìn)后的模態(tài)分布如表3中改進(jìn)后的結(jié)果所示。改進(jìn)方案避開(kāi)了激勵(lì)頻率14.6 Hz，同時(shí)后輪跳動(dòng)模態(tài)頻率間隔增大，理論上可以有效地改善后橋跳動(dòng)問(wèn)題。但是由于車輛已經(jīng)處于樣車階段，實(shí)施該方案改動(dòng)量太大，所以該方案只能作為以后同類新車型開(kāi)發(fā)的方案。這里需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)可行而且易于實(shí)施的替代方案。理論上更改板簧剛度對(duì)簧下頻率影響不大，實(shí)際也證實(shí)了這一點(diǎn)?？紤]到阻尼可以減少振動(dòng)的幅值，所以作為可行和易于實(shí)施的方案，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)后端增加一個(gè)減振器和車架相連接。通過(guò)調(diào)整減振器阻尼值，主觀評(píng)價(jià)振動(dòng)可以接受，至此問(wèn)題基本得到解決。

表3 仿真模態(tài)頻率及振型分布表

圖2 后懸架數(shù)模

3 結(jié)論

1）主觀評(píng)價(jià)可以快速評(píng)價(jià)車輛性能，客觀的加速度數(shù)據(jù)測(cè)試進(jìn)行頻譜分析可以得到振動(dòng)頻率。

2）車輛動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ涂梢詫?duì)板簧客車進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)可以分析問(wèn)題的根源。

3）用增加減振器來(lái)增加阻尼是治標(biāo)不治本的方法。要從根源上解決該問(wèn)題，則需要從整車模態(tài)分布著手，避免激勵(lì)頻率和局部模態(tài)頻率共振，同時(shí)也避免局部模態(tài)間的共振。

[1]張?chǎng)?，李鵬，秦歲，等.某電動(dòng)中型客車制動(dòng)抖動(dòng)原因分析[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（4）：13-15.

[2]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法：GB 12676-2014[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014：10.

[3]平鵬.機(jī)械工程測(cè)試與數(shù)據(jù)處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：4.

[4]陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：10.

[5]陳志偉，董月亮.MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012：6.

[6]曹樹(shù)謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析-理論實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001：3.

[7]余志生.汽車?yán)碚揫M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：10.

[8]王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：4.

修改稿日期：2017-04-05

Analysis and Improvementon the Trouble of Rear Wheels Jump ofan Electric Bus

Peng Wang,LiSongfu
（BYD Auto Industry Co.,Ltd,Shenzhen 518118,China）

The authors introduce the trouble ofthe rear wheels jump under the emergency braking for a leafspring bus,and analyze the reasons,find outthe rootofthe trouble,and though CAE simulation putforward the feasible improvementproject.They solve the trouble successfully.

electric bus;emergency brake;rearwheeljump;leafsuspension

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）04-0040-03

彭旺（1982-），男，研發(fā)主管；主要負(fù)責(zé)整車研發(fā)與總體設(shè)計(jì)工作。