商用車駕駛室懸置系統(tǒng)隔振試驗與優(yōu)化

吳繼輝，夏均忠，王增強，朱明兵，于明奇

(1．陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200；2．軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程 Vehicle Engineering

商用車駕駛室懸置系統(tǒng)隔振試驗與優(yōu)化

吳繼輝1，夏均忠2，王增強2，朱明兵1，于明奇2

(1．陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，西安 710200；2．軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為解決某商用車駕駛室舒適性差的問題，對其懸置系統(tǒng)進行隔振試驗，并優(yōu)化匹配其剛度與阻尼。以傳遞率作為懸置隔振性能評價指標對駕駛室懸置系統(tǒng)進行試驗研究，分析駕駛室舒適性差的主要原因是駕駛室懸置隔振能力差；應(yīng)用ADAMS建立駕駛室懸置系統(tǒng)仿真模型，以駕駛?cè)俗螌?dǎo)軌處振動加速度最小為優(yōu)化目標，選取懸置系統(tǒng)剛度、阻尼參數(shù)為優(yōu)化因子進行DOE優(yōu)化；最后在整車狀態(tài)下進行試驗驗證。優(yōu)化后，前懸置振動傳遞率提升2.0～3.4 dB，后懸置振動傳遞率提升1.3～2.5 dB，懸置系統(tǒng)隔振性能得到提高，駕駛室舒適性得到改善。

商用車；駕駛室懸置；傳遞率；剛度；阻尼

隨著商用車轎車化理念不斷深入，人們對商用車舒適性提出了更高要求。影響車輛乘坐舒適性的因素很多，其中駕駛室懸置系統(tǒng)是主要影響因素之一。目前全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)較為流行，中高端商用車均采用四點懸浮、四氣囊懸置形式。國內(nèi)有關(guān)高校對其有一定的研究[1-4]，但國內(nèi)企業(yè)對空氣懸置設(shè)計方法研究不深入，懸置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定通常參考國外同類車型，難以實現(xiàn)懸置系統(tǒng)剛度和阻尼的最佳匹配[5-6]。為解決上述問題，以某商用車駕駛室懸置系統(tǒng)為研究對象，進行隔振試驗，分析其隔振效果，然后采用ADAMS建模，優(yōu)化懸置系統(tǒng)剛度與阻尼參數(shù)，提高車輛乘坐舒適性。

1 全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究的商用車駕駛室懸置系統(tǒng)為四點懸浮、四氣囊懸置形式，主要由空氣彈簧、減振器、高度閥、穩(wěn)定桿、鎖止機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、限位機構(gòu)等組成(如圖1所示)。前懸置由左右對稱的兩部分組成，通過橫向穩(wěn)定桿連接在一起；空氣彈簧通過前懸托架與駕駛室相連、通過前懸支座與車架連接。后懸置也由左右對稱兩部分組成，通過龍門架連接在一起；左右空氣彈簧通過液壓鎖及橫向減振器與駕駛室相連，通過后懸支架與車架連接。

1.液壓鎖；2.龍門架；3.后懸支架；4.車架；5.后氣囊；6.橫向減振器；7.前懸支架；8.前氣囊；9.前懸托架；10.橫向穩(wěn)定桿圖1 駕駛室懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 隔振試驗及分析

商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振性能通常采用傳遞率作為評價指標[7]。懸置傳遞率是主動輸入端振動加速度與被動輸出端振動加速度的比值[8]，其表達式為

(1)

式中：a為輸入端振動加速度；b為輸出端振動加速度。

試驗方法如下：

(1)測點位置。分別在懸置車架側(cè)及駕駛室側(cè)布置單向加速度傳感器。

(2)測試工況。平直水泥路面，車速依次為60、70、80 km/h，測量駕駛室懸置輸入端、輸出端加速度時間歷程信號，測量時間為20 s。

(3)數(shù)據(jù)處理。計算0～30 Hz范圍內(nèi)輸出信號加速度均方根值與輸入信號加速度均方根值，然后按照式(1)計算各懸置振動傳遞率。

(4)通過試驗得到原設(shè)計狀態(tài)(未優(yōu)化)駕駛室懸置系統(tǒng)傳遞率(見表1)。

表1 原設(shè)計狀態(tài)駕駛室懸置系統(tǒng)傳遞率

從測試結(jié)果可以得出60、70、80 km/h車速下，該商用車駕駛室前懸置振動傳遞率為7.3～8.2 dB，后懸置振動傳遞率為2.0～2.7 dB；前懸置隔振效果比后懸置隔振效果略好，但前、后懸置振動傳遞率均小于10 dB。

對車架側(cè)及駕駛室側(cè)振動信號進行頻譜分析，以70 km/h車速為例，計算左前懸置、右前懸置、左后懸置、右后懸置車架側(cè)及駕駛室側(cè)振動信號的功率譜(如圖2所示)。

(a)左前懸置

(b)右前懸置

(c)左后懸置

(d)右后懸置圖2 車架側(cè)與駕駛室側(cè)振動頻譜

由以上分析可知，駕駛室振動與激勵頻率密切相關(guān)。來自路面不平度產(chǎn)生的隨機振動客觀存在，所以要解決駕駛室振動問題，可以通過優(yōu)化駕駛室懸置系統(tǒng)固有頻率解決。本文擬通過優(yōu)化匹配駕駛室懸置剛度、阻尼參數(shù)來調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)固有頻率。

3 仿真分析

3.1 ADAMS建模

將CATIA模型導(dǎo)入ADAMS中。由仿真理論可知，零部件的外形尺寸對模型自身性質(zhì)并無影響，所以在保證一定視覺外觀的條件下，可以適當簡化。將駕駛室懸置簡化為彈簧，并輸入剛度和阻尼系數(shù)；將橫向穩(wěn)定桿柔性化，以模擬其對懸置系統(tǒng)的作用；各橡膠襯套用BUSHING單元來模擬，并輸入剛度和阻尼系數(shù)。然后對模型各部件添加固定副與約束，最后對模型進行靜平衡驗證及自由度驗證。建立的駕駛室懸置系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 駕駛室懸置系統(tǒng)仿真模型

3.2 DOE優(yōu)化

利用ADAMS軟件進行懸置參數(shù)優(yōu)化，采用全因子試驗設(shè)計(design of experiment，DOE)方法。選取前懸置剛度、前懸置阻尼、后懸置剛度和后懸置阻尼為設(shè)計因子，各設(shè)計因子分別選擇3個水平。分析時引入4個變量K1、K2、C1、C2，分別為前懸剛度、后懸剛度、前懸阻尼、后懸阻尼的放大系數(shù)；K1、K2均分別取值0.5、0.75、1.0；C1、C2均分別取值1.0、1.25、1.5；共有計算方案81個。優(yōu)化分析時，采用六立柱試驗臺進行驅(qū)動，通過試驗臺給懸置端施加位移激勵，采集駕駛員座椅導(dǎo)軌處振動加速度，進行方案比較。

首先以車速70 km/h時懸置下端位移為輸入，進行優(yōu)化。選取最優(yōu)的7組優(yōu)化組合(見表2)。然后以車速60 km/h和80 km/h分別對較優(yōu)組合進行仿真，確定最優(yōu)組合。通過將上述7種方案分別在模型中進行仿真，計算結(jié)果如圖4所示。

表2 最優(yōu)的7種方案組合

圖4 7種方案優(yōu)化結(jié)果對比

從仿真結(jié)果可以看出，方案5與方案7優(yōu)于其他方案。方案5在車速60 km/h、80 km/h時，駕駛員座椅導(dǎo)軌處加速度均方根值為0.334 m/s2、0.358 m/s2，比方案7相應(yīng)值略大。綜合考慮，選擇方案7為最優(yōu)組合。最優(yōu)組合懸置參數(shù)見表3。

表3 優(yōu)化后駕駛室懸置參數(shù)

3.3 仿真驗證

采用虛擬試驗臺架對懸置端施加位移激勵(位移激勵使用道路試驗車架側(cè)位移信號)，然后采集駕駛室側(cè)振動加速度信號，在確保輸入一致的情況下，進行試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比。70 km/h車速下，駕駛室側(cè)振動頻譜圖如圖5所示。

通過試驗與仿真頻譜對比可以看出，優(yōu)化后懸置駕駛室側(cè)振動在峰值處均降低，車輛舒適性提高。

(a)左前懸置

(b)右前懸置

(c)左后懸置

(d)右后懸置圖5 駕駛室側(cè)振動頻譜(仿真與試驗對比)

4 試驗驗證

采用相同的設(shè)置及試驗方法對優(yōu)化后的懸置進行實車試驗，優(yōu)化前后系統(tǒng)固有頻率對比如圖6所示，優(yōu)化前后懸置隔振性能對比如圖7所示。

(a)左前懸置

(b)右前懸置

(c)左后懸置

(d)右后懸置圖6 優(yōu)化前后系統(tǒng)固有頻率對比

(a)車速60 km/h

(b)車速70 km/h

(c)車速80 km/h圖7 優(yōu)化前后懸置隔振率對比

優(yōu)化后，前懸置系統(tǒng)固有頻率為1.75～1.76 Hz，后懸置系統(tǒng)偏頻為1.73～1.79 Hz，頻率比優(yōu)化前降低。同時，優(yōu)化后，駕駛室各懸置隔振性能均得到提高，前懸置振動傳遞率為9.9～10.8 dB，滿足設(shè)計優(yōu)化要求；后懸置振動傳遞率為4.0～5.0 dB，低于設(shè)計要求，但相比于優(yōu)化前其隔振率也得到提升。前懸置振動傳遞率提升2.0～3.4 dB，后懸置振動傳遞率提升1.3～2.5 dB。

5 結(jié) 論

(1)該商用車舒適性較差的原因主要是懸置系統(tǒng)隔振效果差，尤其后懸置隔振效果更差；前懸置振動傳遞率為7.3～8.2 dB，后懸置振動傳遞率為2.0～2.7 dB；前后懸置振動傳遞率均小于10 dB。

(2)通過ADAMS建立模型，采用DOE全因子試驗設(shè)計方法對懸置剛度、阻尼參數(shù)進行優(yōu)化，提出優(yōu)化方案。通過降低后懸置剛度、適當提升前懸置、后懸置阻尼參數(shù)能夠改善車輛的乘坐舒適性。

(3)優(yōu)化后懸置振動傳遞率提升，前懸置振動傳遞率提升2.0～3.4 dB，后懸置振動傳遞率提升1.3～2.5 dB。

[1] 張軍峰,賀巖松,楊海威,等.基于俯仰角加速度的駕駛室懸置系統(tǒng)修改[J].中國機械工程,2012,39(18):2258-2262.

[2] 河海,周鋐,徐海卿,等.基于車身3自由度剛體模態(tài)計算的輕型載貨汽車駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2013(1):15-19.

[3] 趙永玲,張淑琴,程兆剛.重型商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造,2015(2):202-205.

[4] 楊輝,張瑞亮,王鐵,等.自卸車駕駛室懸置系統(tǒng)試驗與優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2015(2):4-7.

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[8] 吳繼輝,夏均忠,王靜,等.駕駛室懸置結(jié)構(gòu)對載貨汽車平順性的影響[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報,2016,18(1):39-42.

[9] 劉顯臣.汽車NVH綜合技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014:228-229.

(編輯：張峰)

Vibration Isolation Test and Optimization of Cab Suspension System for Commercial Vehicle

WU Jihui1, XIA Junzhong2, WANG Zengqiang2, ZHU Mingbing1, YU Mingqi2

(1．Automotive Engineering Research Institute, Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Xi’an 710200, China；2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To improve the comfort of cab for commercial vehicle, the paper tests the vibration isolation of its suspension system and optimizes and matches its stiffness and damping. It firstly makes experimental study on cab suspension system by taking transmissibility as performance evaluation index of vibration isolation, and shows that poor vibration isolation of cab suspension system is the main cause of the comfort. Then, it establishes simulation model of cab suspension system with ADAMS and regards minimum vibration acceleration on rails of driver seat as optimization goal, and optimizes DOE with stiffness and damping parameters as optimization factors. Finally, it verifies the test on the vehicle. After optimization, the vibration transmissibility of front suspension is promoted by 2.0～3.4 dB and vibration transmissibility of rear suspension is promoted by 1.3～2.5 dB, the vibration isolation performance of suspension system is enhanced, and the comfort of cab is improved.

commercial vehicle; cab suspension; transmissibility; stiffness; damping

2016-09-30；

2016-10-22． 作者簡介： 吳繼輝(1984—)，男，碩士研究生； 夏均忠(1967—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.009

U467.1

A

1674-2192(2017)07- 0036- 05