車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)布置形式研究

雷盼飛 周良生 畢鳳榮 石純放 朱強(qiáng)

（1.軍事交通學(xué)院，天津300161；2.軍事交通運(yùn)輸研究所，天津300161；3.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)布置形式研究

雷盼飛1周良生2畢鳳榮3石純放3朱強(qiáng)1

（1.軍事交通學(xué)院，天津300161；2.軍事交通運(yùn)輸研究所，天津300161；3.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

分析了平置式和V型布置式車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)，并以某6×6型軍用車(chē)輛為模型樣車(chē)，基于ADAMS對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)特性的仿真研究與優(yōu)化對(duì)比。結(jié)果表明：橡膠懸置元件在V型布置中具有更好的應(yīng)用價(jià)值；V型布置式車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)擁有更好的隔振效果，尤其在垂向和側(cè)傾方向。

1 前言

車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)是指通過(guò)車(chē)架與車(chē)身（上裝）之間的若干橡膠彈性元件，將車(chē)身彈性連接在車(chē)架上，將來(lái)自地面、動(dòng)力總成的振動(dòng)有效隔離和衰減的車(chē)輛隔振子系統(tǒng)[1]，在軍用運(yùn)輸車(chē)輛中有很好的應(yīng)用前景。本文參照動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的有關(guān)研究成果，嘗試對(duì)車(chē)輛車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)的布置形式進(jìn)行研究。車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)分為平置式與V型布置式[2]，本文分析了2種布置形式下車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)的特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在某車(chē)型下對(duì)2種布置形式的車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)進(jìn)行隔振性能的仿真與優(yōu)化，對(duì)其特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 典型車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)的布置形式

由多個(gè)規(guī)則彈性元件與被承載物體所組成的支承系統(tǒng)存在彈性主軸與彈性中心[2]。根據(jù)橡膠元件彈性主軸與所選參考坐標(biāo)系的位置關(guān)系將其分為平置式多點(diǎn)懸置系統(tǒng)與V型布置式多點(diǎn)懸置系統(tǒng)，如圖1所示。

平置式由于被支承物體質(zhì)心不位于彈性主軸Ⅱ、Ⅲ上，因此存在y0與γ以及z0與β的2自由度耦合。相較于平置式，V型布置式彈性主軸Ⅲ的位置明顯提高。通過(guò)位置、剛度參數(shù)的合理匹配，使彈性中心E2位于被支承物體質(zhì)心z0向主慣性軸上，可實(shí)現(xiàn)橫向與側(cè)傾方向的解耦。

3 隔振性能的仿真分析

3.1 建立整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

以某軍用重型越野車(chē)輛為模型樣車(chē)，以車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)為研究?jī)?nèi)容。定義車(chē)輛坐標(biāo)系Oxyz，原點(diǎn)O位于前軸軸線中心處，xy平面平行于水平地面，x軸垂直于前軸指向車(chē)輛后方，y軸平行于前軸指向駕駛員右側(cè)，z軸服從右手定則。在ADAMS/Chassis中建立前、后懸架鋼板彈簧模型，在ADAMS/View中通過(guò)運(yùn)動(dòng)副與其他構(gòu)件裝配成整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型。

根據(jù)GB/T 12538—2003和GB/T 4783—1984在空載狀態(tài)下對(duì)整車(chē)質(zhì)心位置及懸架系統(tǒng)固有頻率和阻尼比進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，如圖2所示。其中整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)文獻(xiàn)[3]進(jìn)行估算。

圖2 部分試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

裝配振動(dòng)臺(tái)，對(duì)整車(chē)模型前、后懸架進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析，頻率范圍設(shè)置為0.1～20 Hz。

所建模型與試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析如表1所示。其中，ffusp、frusp分別為前、后懸架系統(tǒng)車(chē)輪部分偏頻；ffsp、frsp分別為前、后懸架系統(tǒng)車(chē)身部分偏頻。由表1可知，模型的相對(duì)誤差均控制在10%以內(nèi)，滿足工程要求。

表1 模型參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析

3.2 加裝車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng)

在ADAMS中，利用阻尼器（Bushing）模擬橡膠懸置元件，忽略其扭轉(zhuǎn)方向剛度及阻尼，將懸置元件簡(jiǎn)化為3向剛度阻尼元件[4]。參照原車(chē)固定連接點(diǎn)位置及相關(guān)試驗(yàn)，選取懸置點(diǎn)的數(shù)量為8個(gè)，左右對(duì)稱(chēng)且沿x向均勻布置，并由前至后進(jìn)行編號(hào)，具體位置如表2所示。

根據(jù)廠商提供的信息，一般采用硬質(zhì)橡膠的硬度為80 HA，其阻尼約為1 N·s/mm。橡膠元件的壓縮剪切剛度比一般為3～8[5]，在此取最小值3。根據(jù)上裝滿載質(zhì)量及懸置點(diǎn)數(shù)量，設(shè)置橡膠懸置壓縮剛度為500 N/mm。其中，加裝平置式多點(diǎn)懸置系統(tǒng)后的整車(chē)模型如圖3所示。

表2 平置式懸置點(diǎn)位置參數(shù)（左側(cè)）

圖3 加裝車(chē)身多點(diǎn)懸置系統(tǒng)的整車(chē)模型（滿載）

在壓縮剪切剛度比為3的條件下，根據(jù)上裝質(zhì)量參數(shù)及懸置位置參數(shù)計(jì)算可得，當(dāng)懸置坐標(biāo)軸與參考坐標(biāo)軸夾角約為30°時(shí)，橫向與側(cè)傾方向的耦合剛度為0。V型布置式懸置點(diǎn)具體位置參數(shù)如表3所示。

表3 V型布置式懸置點(diǎn)位置參數(shù)（左側(cè)）

3.3 上裝隔振仿真分析

利用諧波疊加法在MATLAB中生成速度為40 km/h的D級(jí)路面時(shí)域模型。根據(jù)左、右輪相干系數(shù)法[6]計(jì)算左、右輪相干系數(shù)，拓展為空間D級(jí)路面。在滿載狀態(tài)下，針對(duì)2種布置形式進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，上裝響應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

參照ISO2631-1∶1997(E)與GB/T 4970—2009，以上裝質(zhì)心處3個(gè)軸向的總加權(quán)加速度均方根值（記為Rx、Ry、Rz）作為上裝振動(dòng)水平的評(píng)價(jià)函數(shù)，并且取x、y方向的軸加權(quán)系數(shù)為1.4[7]?？紤]到上裝前、中、后部分Rz相差較大，因此取質(zhì)心z向加速度Rz、左前懸置點(diǎn)z向加速度Rl和右后懸置點(diǎn)z向加速度Rr的均值作為，因此，評(píng)價(jià)函數(shù)為：

計(jì)算可得平置式上裝振動(dòng)水平為6 471.39 mm/s2；V型布置式上裝振動(dòng)水平為6 043.00 mm/s2，可見(jiàn)V型布置式的振動(dòng)水平略低于平置式，其中，V型布置式Ry明顯大于平置式，而其Rz小于平置式，驗(yàn)證了V型布置式的橫向剛度大于平置式，而垂向剛度小于平置式的判斷。在頻域內(nèi)，V型布置式的側(cè)傾角加速度頻域峰值明顯低于平置式，驗(yàn)證了其側(cè)傾方向固有頻率較低，具有較小的側(cè)傾剛度的判斷。

表4 初始仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 上裝隔振優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化過(guò)程

本文以降低上裝振動(dòng)水平為優(yōu)化目標(biāo)，因此仍以式（1）作為目標(biāo)函數(shù)。為對(duì)比2種布置方式的隔振效果，需要保證其各懸置點(diǎn)受到的激勵(lì)相同，因此維持各懸置點(diǎn)位置參數(shù)不變，僅選擇剛度參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，設(shè)定左、右對(duì)稱(chēng)位置剛度相同，剛度比為3。取壓縮剛度的上、下限分別為600 N/mm、300 N/mm。除剛度參數(shù)本身的限制外，約束上裝質(zhì)心處z向位移極差不大于50 mm。采用序列二次規(guī)劃（SQP）算法[8]進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

在ADAMS中定義仿真腳本，保持表2、表3中的位置參數(shù)設(shè)置，對(duì)2種布置下的整車(chē)模型分別進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表5所示，優(yōu)化前、后部分結(jié)果如圖4～圖7所示。

表5 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果 N/mm

圖4 平置式布置優(yōu)化前、后上裝振動(dòng)加速度時(shí)域曲線

圖5 V型布置式布置優(yōu)化前、后上裝振動(dòng)加速度時(shí)域曲線

對(duì)優(yōu)化后的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6所示。根據(jù)式（1）計(jì)算可得優(yōu)化后平置式的振動(dòng)水平為5 130.64 mm/s2，相對(duì)降低了20.72%，V型布置式的振動(dòng)水平為4 560.46 mm/s2，相對(duì)降低了24.53%，說(shuō)明優(yōu)化取得了較好的效果。優(yōu)化后，2種布置方式下側(cè)傾角加速度RMS均有所降低，其中平置式降低了20.40%，V型布置式降低了29.01%。平置式的側(cè)傾角加速度頻域峰值明顯降低，其質(zhì)心側(cè)傾角度極差小幅增加，說(shuō)明優(yōu)化后其側(cè)傾剛度明顯減小。

圖6 平置式優(yōu)化后上裝質(zhì)心處側(cè)傾角加速度仿真結(jié)果

圖7 V型布置式優(yōu)化后上裝質(zhì)心處側(cè)傾角加速度仿真結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后2種布置方式的振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行比較，盡管V型布置式的y向振動(dòng)加速度RMS較大，但是其整體振動(dòng)水平低于平置式。就來(lái)看，V型布置式上裝z向振動(dòng)水平均低于平置式，且各部分z向振動(dòng)水平相差較小。V型布置式的側(cè)傾角加速度RMS為40.42(°)/s2，也明顯小于平置式，說(shuō)明在側(cè)傾方向也取得了較好的隔振效果。就上裝運(yùn)動(dòng)幅值來(lái)看，V型布置方式下的側(cè)傾角度極差與z向位移極差雖然較大，但是均在可接受的范圍內(nèi)。

表6 優(yōu)化后仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

a.針對(duì)橡膠懸置元件壓縮剪切剛度比大的特性，V型布置式懸置系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)橡膠懸置元件剪切剛度小的特點(diǎn)，提供相對(duì)較大的橫向剛度與較小的側(cè)傾剛度，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

b.平置式與V型布置形式都能取得較好的隔振效果，通過(guò)剛度參數(shù)優(yōu)化，振動(dòng)水平和側(cè)傾方向角加速度RMS均有較大幅度的降低。

c.理想條件下，V型布置式隔振效果略優(yōu)于平置式，尤其在垂向與側(cè)傾方向可獲得更好的隔振效果。考慮到平置式在工程實(shí)際中還需要加裝保護(hù)措施，因此V型布置式的隔振效果進(jìn)一步凸顯。

1 沈穎剛，楊文釗，郭鵬，等.汽車(chē)懸置系統(tǒng)研究綜述.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2015（6）：131～139.

2 呂振華，范讓林，馮振東.汽車(chē)動(dòng)力總成隔振懸置布置的設(shè)計(jì)思想論析.內(nèi)燃機(jī)工程，2004（3）：37～43.

3 郭正康.汽車(chē)整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算與選取.汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，1993（6）：42～44.

4 顧夢(mèng)引.某車(chē)輛動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其軟件開(kāi)發(fā)：[學(xué)位論文].北京：北京理工大學(xué)，2016.

5 吳志平.汽車(chē)動(dòng)力總成典型橡膠懸置結(jié)構(gòu)三向靜剛度比的計(jì)算與實(shí)測(cè)：[學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

6 王亞，陳思忠，鄭凱鋒.時(shí)空相關(guān)路面不平度時(shí)域模型仿真研究.振動(dòng)與沖擊，2013（5）：70～74.

7 余志生.汽車(chē)?yán)碚?第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

8 項(xiàng)凌.商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究：[學(xué)位論文].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

Research on Arrangement of Body Multi-Point Rubber Suspension System

Lei Panfei1,Zhou Liangsheng2,Bi Fengrong3,Shi Chunfang3,Zhu Qiang1
（1.Military Transportation University,Tianjin 300161;2.Institute of Military Transportation,Tianjin 300161;3.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072）

The paper analyzes the movement rules and characteristics of the body multi-point rubber suspension system based on horizontal layout and V-type layout,a 6×6 military vehicle model is used to simulate and optimize the vibration characteristics of the vehicle based on ADAMS.The research concludes that the rubber suspension elements would have a better application value in the V-type layout;the V-type layout multi-point suspension system has achieved a better vibration isolation level,especially in the vertical and roll direction.

Multi-point rubber suspension system,Horizontal layout,V-type layout,Vibration isolation,Optimization

車(chē)身多點(diǎn)橡膠懸置系統(tǒng) 平置式 V型布置式 隔振 優(yōu)化

U463.85+9

A

1000-3703（2017）11-0055-04

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年8月21日。