基于裝載量變化的載貨汽車乘坐舒適性研究

屈亞洲 吳云兵 張鵬飛 應(yīng)宇汀

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司 浙江寧波 315336

載貨汽車作為公路運(yùn)輸行業(yè)主要貨運(yùn)車輛之一，因其承載質(zhì)量大、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)在高速物流運(yùn)輸中扮演著重要角色。但在其帶來便利的同時(shí)，也因行駛周期長(zhǎng)且長(zhǎng)期受路面沖擊作用，引起駕駛員疲勞，誘發(fā)交通安全事故的發(fā)生。雖然目前許多學(xué)者對(duì)與影響車輛的行駛平順性及乘坐舒適性直接相關(guān)的輪胎、懸架等主要減振部件進(jìn)行了研究[1-4]，但大多未考慮裝載量變化對(duì)駕駛室乘坐舒適性的影響。而車輛在實(shí)際行駛中，裝載質(zhì)量不同，在相同的路面激勵(lì)下，也會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)，因此本文擬從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面探究裝載質(zhì)量變化對(duì)駕駛室乘坐舒適性的影響。

1 振動(dòng)系統(tǒng)建模

根據(jù)研究需要，在一定程度上對(duì)車輛主要振動(dòng)部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化[5]，建立了包含駕駛室、車體、前后軸輪胎在內(nèi)的共五自由度1/2車輛振動(dòng)模型，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 載貨汽車簡(jiǎn)化振動(dòng)模型

圖2 隨機(jī)激勵(lì)路面位移

由此可以將上述五自由度半車模型的微分方程整理成如下狀態(tài)空間形式：

2 仿真分析

以某款車為研究對(duì)象，車輛空載和滿載參數(shù)如表1所示。隨著裝載量的逐漸增加，車身質(zhì)量、車身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、前后懸架剛度以及后懸架阻尼系數(shù)等也會(huì)發(fā)生變化，因此為了探討裝載量變化對(duì)駕駛室舒適性的影響，假設(shè)裝載量是均勻分布放置在貨廂，且裝載量的變化呈線性增加，然后通過內(nèi)插來計(jì)算由裝載量變化而引起的參數(shù)變動(dòng)，由此得到5種裝載量變化，并依次記為空負(fù)荷、1/4負(fù)荷、1/2負(fù)荷、3/4負(fù)荷、滿負(fù)荷。

表1 車輛空滿載參數(shù)

選擇B級(jí)路面Gq( n0)=64×10-6，速度u=40 km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，對(duì)隨機(jī)激勵(lì)路面輸入進(jìn)行仿真分析，依次得到五種負(fù)荷下的駕駛室垂直加速度及駕駛室懸架動(dòng)行程時(shí)域和功率譜密度曲線，如圖3～圖4所示。

圖3 駕駛室垂直加速度時(shí)域和功率譜密度曲線

圖4 駕駛室懸架動(dòng)行程時(shí)域和功率譜密度曲線

從時(shí)域曲線來看，在不同負(fù)荷下，駕駛室垂直加速度和懸架動(dòng)行程上下波動(dòng)都高于空負(fù)荷；從功率譜密度曲線來看，駕駛室振動(dòng)響應(yīng)量的功率譜密度波峰主要集中在1～2.5 Hz左右，避開了會(huì)引起人體器官共振的4～12.5 Hz，且隨著裝載量的增加，駕駛室垂直加速度和懸架動(dòng)行程的功率譜波峰整體呈升高趨勢(shì)，但在3/4負(fù)荷下，功率譜密度波峰相較于其他負(fù)荷時(shí)有所降低。此外，隨著裝載量的增加，駕駛室的共振頻率降低，說明裝載量的增加加劇了駕駛室在低頻下的振動(dòng)。

為了更清晰地說明裝載量變化對(duì)駕駛室乘坐舒適性的影響，這里給出了駕駛室垂直加速度和懸架動(dòng)行程在不同負(fù)荷下的最大絕對(duì)值和均方根值曲線，如圖5～圖6所示。

圖5 駕駛室垂直加速度最大絕對(duì)值及均方根值曲線

圖6 駕駛室懸架動(dòng)行程最大絕對(duì)值及均方根值曲線

如圖5所示,裝載量由空負(fù)荷增加到1/2負(fù)荷時(shí)，駕駛室垂直加速度最大絕對(duì)值和均方根值都逐漸增加，當(dāng)車輛裝載量達(dá)到3/4負(fù)荷時(shí)，駕駛室垂直加速度最大絕對(duì)值和均方根值又明顯低于1/2負(fù)荷和滿負(fù)荷。因此說明針對(duì)此款車型，裝載量為3/4負(fù)荷時(shí)在保證運(yùn)輸效率的同時(shí)，也有助于降低因路面沖擊而引起的駕駛室振動(dòng)，提高車輛的乘坐舒適性。圖6為駕駛室懸架動(dòng)行程最大絕對(duì)值及均方根值曲線，由圖中可知，隨著裝載比的增加，駕駛室懸架動(dòng)行程整體呈上升趨勢(shì)，且在3/4負(fù)荷時(shí)，均方根值略小于1/2負(fù)荷和滿負(fù)荷。

3 結(jié)語

建立了載貨汽車五自由度平面振動(dòng)力學(xué)模型,從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面，仿真分析了空負(fù)荷、1/4負(fù)荷、1/2負(fù)荷、3/4負(fù)荷和滿負(fù)荷五種負(fù)荷變化對(duì)載貨汽車乘坐舒適性的影響。仿真結(jié)果如下:

a.從時(shí)域曲線來看，在不同負(fù)荷下，駕駛室垂直加速度和懸架動(dòng)行程上下波動(dòng)都高于空負(fù)荷；從頻域曲線來看，駕駛室振動(dòng)響應(yīng)量的功率譜密度波峰主要集中在1～2.5 Hz左右，且隨著裝載量的增加，其功率譜波峰整體呈升高趨勢(shì)，但在3/4負(fù)荷下，相較于其他負(fù)荷時(shí)有所降低。此外，隨著裝載量的增加，駕駛室的共振頻率降低，說明裝載量的增加加劇了駕駛室在低頻下的振動(dòng)。

b.裝載量由空負(fù)荷增加到1/2負(fù)荷時(shí)，駕駛室垂直加速度最大絕對(duì)值和均方根值都逐漸增加，然而當(dāng)裝載量達(dá)到3/4負(fù)荷時(shí)，駕駛室垂直加速度最大絕對(duì)值和均方根值又明顯低于1/2負(fù)荷和滿負(fù)荷。從駕駛室懸架動(dòng)行程來看，隨著裝載比的增加，駕駛室懸架動(dòng)行程最大絕對(duì)值和均方根值整體呈上升趨勢(shì)，且在3/4負(fù)荷時(shí)，均方根值略小于1/2負(fù)荷和滿負(fù)荷。因此說明裝載量為3/4負(fù)荷時(shí)在保證運(yùn)輸效率的同時(shí)，也有助于降低因路面沖擊而引起的駕駛室振動(dòng)，提高車輛的乘坐舒適性。