典型車載儀器設(shè)備的基本隔振系統(tǒng)優(yōu)化匹配與隔振特性分析評(píng)價(jià)

呂振華, 張 鴻

(清華大學(xué) 車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084)

特種無人越野車輛等機(jī)動(dòng)裝備的振動(dòng)沖擊直接影響車載儀器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和基本工作性能，而且會(huì)導(dǎo)致儀器設(shè)備出現(xiàn)多種故障與損壞.因此，車載精密電子、光學(xué)儀器設(shè)備的工作性能與耐久性的保持必需有優(yōu)良的隔振緩沖系統(tǒng)，隔振緩沖系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)是車載儀器設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中的重要技術(shù).雖然關(guān)于一般精密儀器設(shè)備隔振緩沖的基本要求及重要性是比較明確的[1-2]，但國內(nèi)外至今發(fā)表的有關(guān)車載儀器設(shè)備隔振技術(shù)的研究工作尚很少，只有一些關(guān)于衛(wèi)星、無人機(jī)系統(tǒng)等的相關(guān)研究工作.文獻(xiàn)[3]為衛(wèi)星的力矩陀螺執(zhí)行器設(shè)計(jì)了匯聚式的被動(dòng)式隔振方案，對其六自由度振動(dòng)傳遞率進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；文獻(xiàn)[4]以某小型無人機(jī)在地面滑跑振動(dòng)過程中機(jī)載相機(jī)的垂向加速度與俯仰角位移均方根值為控制目標(biāo)，對相機(jī)安裝位置及其隔振器參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]針對一種星載制冷機(jī)的被動(dòng)隔振系統(tǒng)進(jìn)行了正弦掃頻、隨機(jī)激勵(lì)和脈沖激勵(lì)試驗(yàn)，測試了其在發(fā)射和在軌狀態(tài)下的隔振性能；文獻(xiàn)[6-8]進(jìn)行了基于壓電式材料的自適應(yīng)隔振系統(tǒng)在無人機(jī)圖像采集系統(tǒng)等的應(yīng)用研究，對其模式控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)測試.

文中針對兩種不同類型的車載精密儀器設(shè)備，進(jìn)行了其基本隔振系統(tǒng)優(yōu)化匹配過程及分析評(píng)價(jià)方法探討，給出了初步的匹配設(shè)計(jì)方案.

1 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的初步方案設(shè)置與分析

選取某型激光雷達(dá)和多光譜攝像機(jī)組作為隔振對象，下文簡稱為設(shè)備1和設(shè)備2.首先定義表示儀器設(shè)備安裝基座的全局坐標(biāo)系O-XYZ和位于儀器設(shè)備質(zhì)心的局部坐標(biāo)系Oi-XiYiZi.考慮到儀器設(shè)備-隔振系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率一般較低，可忽略設(shè)備的結(jié)構(gòu)彈性，將每個(gè)設(shè)備考慮為具有6自由度的剛性體，通過設(shè)備的局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的平動(dòng)位移與轉(zhuǎn)動(dòng)角度廣義坐標(biāo)q=[x,y,z,α,β,r]T來定義設(shè)備的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài).相應(yīng)地對設(shè)備的每個(gè)隔振器定義其局部坐標(biāo)系Oj-XjYjZj.

1.1 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的布置方案及其固有振動(dòng)特性分析

為質(zhì)量較小的設(shè)備1設(shè)置了3點(diǎn)懸置的隔振器布置方案，兩個(gè)在底部,一個(gè)在上部.后者有利于限制俯仰振動(dòng)；為體積較大的設(shè)備2設(shè)置了4點(diǎn)懸置，分置于四周，因受到空間限制，該隔振系統(tǒng)的彈性中心比設(shè)備質(zhì)心低.

每個(gè)設(shè)備的各個(gè)隔振器的位置及其三向剛度是隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量分布的對稱性，可以將部分隔振器對稱布置，從而減少了設(shè)計(jì)變量.以設(shè)備2為例，其隔振系統(tǒng)的初步布置方案如圖1所示，設(shè)隔振器1、2的位置不對稱但同向的剛度相等，隔振器3、4的位置對稱、同向的剛度相等，則隔振系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)變量只有12個(gè)(6個(gè)位置參數(shù)、6個(gè)剛度參數(shù)).

圖1 設(shè)備2初始隔振器布置及位置因素示意

采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行隔振系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)的剛體振動(dòng)模態(tài)頻率帶寬和最高階模態(tài)頻率均極小化.首先對設(shè)備1和設(shè)備2的隔振系統(tǒng)初步布置方案分別進(jìn)行固有振動(dòng)特性試算，將其振動(dòng)模態(tài)頻率帶寬分別壓縮到了6.7 Hz、3.3 Hz，相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值即可作為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初值，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儎?dòng)，即可進(jìn)行多因素、多水平的正交試驗(yàn)優(yōu)化計(jì)算分析.設(shè)備2的12個(gè)設(shè)計(jì)變量的初始值表示為{df,,dLR，hf，hLR，dr，hr，kx,fr，kx,LR，ky,fr，ky,LR,kz,fr,kz,LR} = {160, 160, 190, 90, 160, 190, 18, 12, 12, 11, 15, 13.2},其中:h、d、k分別表示隔振器的高度、水平位置和剛度，單位分別為mm、mm、N/mm，下標(biāo)f、r表示前、后，下標(biāo)L、R表示左、右.將設(shè)計(jì)變量(因素)的初值作為中間水平，在此基礎(chǔ)上變動(dòng)±20%給出另兩個(gè)水平，選取了13因素、3水平的正交表L27(313)[9-10]進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，具體的正交試驗(yàn)方案見表1.表1的后兩列給出了各個(gè)試驗(yàn)方案的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算結(jié)果，即系統(tǒng)的最高階模態(tài)頻率fMax和6階剛體振動(dòng)模態(tài)頻率的帶寬fBand.可見，在第8次試驗(yàn)中，fMax和fBand均達(dá)到了最小值，fBand僅為1.3 Hz，因此，將該試驗(yàn)方案的參數(shù)配置作為設(shè)備2隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)備1、設(shè)備2的隔振系統(tǒng)模型如圖2所示.

表1 設(shè)備2隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案表及其試驗(yàn)結(jié)果(部分)

圖2 優(yōu)化后的設(shè)備1、設(shè)備2隔振系統(tǒng)模型

1.2 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性分析

對設(shè)備1、設(shè)備2隔振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)傳遞率分析，亦即計(jì)算在基礎(chǔ)的垂向(Z)、俯仰(Ry)、側(cè)傾(Rx)振動(dòng)激勵(lì)下設(shè)備的相應(yīng)振動(dòng)響應(yīng)的幅值比例～頻率特性，結(jié)果見圖3，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2、表3.

圖3 設(shè)備1、2隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率函數(shù)

以設(shè)備1為例，隔振系統(tǒng)的3個(gè)主要振動(dòng)模態(tài)的頻率在2.7～5.1 Hz之間，該范圍內(nèi)的振動(dòng)激勵(lì)會(huì)激起設(shè)備的較大共振響應(yīng)；通過共振區(qū)后，俯仰振動(dòng)角位移傳遞率在6.7 Hz降低至50%，且繼續(xù)快速衰減，在約8.7 Hz即降低至10%以下，表明對俯仰振動(dòng)的隔離效果很顯著；垂向振動(dòng)位移傳遞率特性曲線的衰減速率則較慢，分別在8.8 Hz、17.2 Hz衰減至50%、10%；側(cè)傾振動(dòng)角位移傳遞率特性曲線的衰減速率介于上兩者之間，分別在6.6 Hz、13.5 Hz衰減至50%、10%.

表2 設(shè)備1隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率函數(shù)特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

表3 設(shè)備2隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率函數(shù)特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2 整車多體動(dòng)力學(xué)分析模型建立與驗(yàn)證

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立了一種輕型越野車的整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示，包括前懸架、后懸架、車輪及輪胎、轉(zhuǎn)向系、車身、動(dòng)力總成、車載儀器設(shè)備等子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其中設(shè)備1、設(shè)備2分別安裝在車前端和車頂.整車模型總質(zhì)量為3 070 kg、軸距為3 227 mm.

為檢驗(yàn)所建立的整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可進(jìn)行基本的振動(dòng)響應(yīng)特性分析，即地面脈沖激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)特性分析.

圖4 整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

(1) 地面脈沖激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)分析

對整車多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行地面脈沖激勵(lì)虛擬試驗(yàn)，車輛以18、36、54、72 km/h等多種速度通過有半徑100 mm的半圓凸坎的路面.圖5給出了以36 km/h速度駛過凸坎時(shí),車身質(zhì)心垂向振動(dòng)及俯仰角振動(dòng)位移響應(yīng)-時(shí)間歷程及其頻譜，兩種典型振動(dòng)響應(yīng)量的衰減規(guī)律和所反映出的整車簧載質(zhì)量剛體的垂向振動(dòng)、俯仰角振動(dòng)固有頻率(分別為約1.1 Hz、1.3 Hz)均符合汽車振動(dòng)特性的一般規(guī)律.

圖5 車體質(zhì)心垂向位移和俯仰角位移響應(yīng)及其頻譜

(2) 地面隨機(jī)激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)分析

對整車多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行地面隨機(jī)激勵(lì)虛擬試驗(yàn)，車輛以18、36、54、72 km/h的速度通過C級(jí)和D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)路面.由圖6、7所示，車體垂向振動(dòng)和俯仰角振動(dòng)響應(yīng)量隨路面粗糙度、車速的變化規(guī)律是合理的；車身垂向振動(dòng)位移的頻譜的主要部分為反應(yīng)路面宏觀高程激勵(lì)的約0.1 Hz的低頻分量和約1.2 Hz的與車體垂向振動(dòng)固有頻率一致的分量；車身俯仰角振動(dòng)的主要頻率成分集中在1.3 Hz處，也與其俯仰角振動(dòng)固有頻率相一致.

圖6 車體垂向振動(dòng)位移及其頻譜

圖7 車體俯仰振動(dòng)角位移及其頻譜

3 車載儀器設(shè)備隔振特性分析

為了評(píng)價(jià)車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)在實(shí)車狀態(tài)的隔振效果，應(yīng)對整車振動(dòng)系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動(dòng)傳遞率、整車行駛振動(dòng)激勵(lì)下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的振動(dòng)響應(yīng)特性等進(jìn)行分析.

(1) 整車振動(dòng)系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動(dòng)傳遞率分析

定義以下3種不同的整車模擬振動(dòng)激勵(lì)方式，進(jìn)行正弦波掃頻激勵(lì)：①四車輪同相的垂向振動(dòng)位移激勵(lì)方式，主要激發(fā)整車的垂向振動(dòng)；②兩前輪同相位、兩后輪也同相位、但前輪與后輪反相位的垂向振動(dòng)位移激勵(lì)方式，主要激發(fā)整車的俯仰角振動(dòng)；③兩組同側(cè)車輪均同相位、但左側(cè)與右側(cè)車輪反相位的垂向振動(dòng)位移激勵(lì)方式，主要激發(fā)整車的側(cè)傾角振動(dòng).

整車振動(dòng)系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動(dòng)傳遞率計(jì)算結(jié)果示例如圖8所示.設(shè)備1的3種振動(dòng)傳遞率函數(shù)特性表明，采用隔振系統(tǒng)后,其垂向振動(dòng)位移傳遞率在約10 Hz,即降低至10%(而無隔振系統(tǒng)時(shí)，直到16.5 Hz才降低至10%)，同時(shí)，在10 Hz之后，振動(dòng)傳遞率衰減速率更大，其隔振效率的優(yōu)勢在高頻段更加明顯.

設(shè)備2的3種振動(dòng)傳遞率函數(shù)特性表明，采用隔振系統(tǒng)后,其主要振動(dòng)傳遞率在約9 Hz就全面小于無隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率,其中，垂向振動(dòng)傳遞率在7.6 Hz就降低至10%，而無隔振系統(tǒng)時(shí)，直到17 Hz才降低至10%.因此，設(shè)備2的隔振系統(tǒng)對高頻振動(dòng)的衰減很顯著，從而對其內(nèi)部精密元件的壽命和光學(xué)元件的工作性能的改善都可起到重要的作用.

圖8 設(shè)備1質(zhì)心垂向振動(dòng)傳遞率特性比較

(2)整車行駛振動(dòng)激勵(lì)下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的振動(dòng)響應(yīng)特性分析

汽車的主要高頻振動(dòng)激勵(lì)源有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和底盤系統(tǒng)等，或當(dāng)汽車行駛于特殊的不平路面時(shí).為簡化計(jì)算過程，現(xiàn)設(shè)汽車分別以8 m/s、12 m/s、16 m/s、20 m/s的速度在波長為1 m、幅值為25 mm的試驗(yàn)路面行駛，典型的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如圖9所示.在不同車速下有、無隔振系統(tǒng)時(shí)設(shè)備1的垂向振動(dòng)和設(shè)備2的俯仰角振動(dòng)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4、表5.

表4 不同車速下設(shè)備1有、無隔振系統(tǒng)時(shí)的垂向振動(dòng)響應(yīng)峰-峰值統(tǒng)計(jì)

表5 不同車速下設(shè)備2有、無隔振系統(tǒng)時(shí)的俯仰角振動(dòng)響應(yīng)峰-峰值統(tǒng)計(jì)

這些振動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)的減振特性符合前文所示的設(shè)備1、2振動(dòng)傳遞率特性，尤其垂向振動(dòng)響應(yīng)從8 Hz開始即有明顯的衰減，在20 Hz時(shí),已衰減至約10%；對于設(shè)備2的俯仰角振動(dòng)響應(yīng)，開始衰減的頻率下限略高些，但在20 Hz時(shí),已衰減至約5%；對于設(shè)備1的俯仰角振動(dòng)響應(yīng)的衰減效應(yīng)則直到16-20 Hz之間,才開始出現(xiàn).

圖9 以8 m/s速度通過試驗(yàn)路面時(shí)設(shè)備2的垂向振動(dòng)、俯仰振動(dòng)角位移響應(yīng)

4 結(jié) 論

隔振緩沖系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)是車載儀器設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中的重要技術(shù).對某型激光雷達(dá)(設(shè)備1)和多光譜攝像機(jī)組(設(shè)備2)進(jìn)行了隔振系統(tǒng)匹配及其固有振動(dòng)特性的正交試驗(yàn)優(yōu)化，取得優(yōu)良的結(jié)果，如設(shè)備2隔振系統(tǒng)的最高階模態(tài)頻率和6階剛體振動(dòng)模態(tài)頻率的帶寬分別極小化為5.5 Hz、1.3 Hz，從而可使其具有良好的振動(dòng)傳遞率特性.

基于一種輕型越野車的整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了整車振動(dòng)系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動(dòng)傳遞率計(jì)算分析，設(shè)備1、設(shè)備2的隔振系統(tǒng)的垂向振動(dòng)位移傳遞率分別在約10 Hz、7.6 Hz即降低至10%；同時(shí),進(jìn)行了整車行駛振動(dòng)激勵(lì)下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的總體振動(dòng)響應(yīng)特性計(jì)算分析，進(jìn)一步量化評(píng)價(jià)了車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)在實(shí)車狀態(tài)的隔振效果.

文中關(guān)于車載儀器設(shè)備的基本隔振系統(tǒng)優(yōu)化匹配極其隔振特性分析評(píng)價(jià)的方法與流程具有普遍的適用性.