基于车身3自由度刚体模态计算的轻型载货汽车驾驶室悬置系统优化

2013-09-04徐海卿王思乐

汽车技术 2013年1期

何海周鋐徐海卿王思乐

（1.同济大学；2.同济大学新能源汽车工程中心）

1 道路试验及结果分析

轻型载货汽车常在接近平稳的随机路面上行驶，所以振动舒适性随机路面输入行驶试验是评定轻型载货汽车驾驶室振动舒适性的最主要试验。该试验采用平稳随机振动的研究方法，通过测定座椅表面加速度响应的均方根值来评价轻型载货汽车驾驶室的振动舒适性。

试验道路包括两种：石块路，其路面等级应符合GB/T7031规定的C级路面；沥青路，其路面等级应符合GB/T7031规定的B级路面。石块路主要测量悬置系统对驾驶室振动的影响，沥青路面为轻型载货汽车实际工况主要行驶路面。在石块路试验行驶车速为40 km/h，在沥青路面试验行驶车速分别为80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h、120 km/h。

1.1 驾驶室悬置系统道路试验

图1为本文研究的轻型载货汽车驾驶室，其采用4点式悬置，分别记为前左悬置、前右悬置、后左悬置、后右悬置，安装位置如图2所示，悬置结构为橡胶减振垫。用于测量主动侧输入信号的加速度传感器分别布置在前、后4个悬置下支架接近车架的部位；用于测量被动侧输出信号的传感器分别布置在前、后4个悬置上支架接近驾驶室的部位；用于评价驾驶室舒适性的传感器布置在驾驶员座椅表面。设置采样频率为1024 Hz，信号长度为30 s。

试验设备为LMS分析软件、PCB加速度传感器、KB座椅垫加速计、LMS数据采集系统。

驾驶室技术状况及轮胎气压、发动机预热情况等符合试验要求；驾驶员、副驾驶员（即数据采集员）平均体重在70 kg左右，驾驶员为专职试车员，经验丰富。试验过程中驾驶员严格控制速度通过稳速段，并从起始时间进行数据采集。

1.2 道路试验结果分析

讨论车辆振动问题时，主要考虑车辆沿垂向的运动[1]。在分析车辆行驶平顺性时，Janeway认为影响人体舒适性的主要因素是低频加速度[2]。因而，对于轻型载货汽车驾驶室平顺性，主要研究低频Z向加速度。在石块路40 km/h工况下，对4个悬置加速度信号进行自功率谱分析，试验结果如图3～图6所示。

悬置被动侧Z向加速度的自功率谱反映试验车辆在石块路40 km/h工况下驾驶室的振动情况；悬置主动侧Z向加速度的自功率谱反映试验车辆在石块路40 km/h工况下发动机、路面、传动系统等激励对悬置振动的影响。对前、后4个悬置主被动侧加速度自功率谱，采用LMS_Test.lab中subtract_blocks_db函数计算隔振率，如图7、图8所示。隔振率越小，减振效果越差，隔振率最小点即为共振点。从图7可知，前左悬置和前右悬置被动侧的共振频率为9.9 Hz，可以避开主动侧的几个振动峰值，若适当降低悬置刚度，则减振效果会更好。从图8可知，后左悬置和后右悬置被动侧的共振频率为12.9 Hz，主动侧的加速度峰值被放大，产生共振，减振效果很差，若降低或提高后悬置刚度，避开主动侧峰值，则可以改善减振效果。

图9为4个悬置主动侧的加速度信号，即激励信号。可见，除簧上偏频1.5 Hz的峰值外，能量大部分集中在10～20 Hz，容易引起悬置系统的共振。通用汽车公司的David Hamilton提出，为了得到良好的驾驶室结构舒适感受，必须避免汽车各总成之间共振现象的发生[3]。为减少驾驶室与悬置共振的发生，可以采用优化驾驶室结构和优化悬置参数两种常用方法来实现，后者工作量小且成本低。因此，将驾驶室和悬置组成的系统简化为下述的3自由度系统。

2 3自由度驾驶室悬置系统ADAMS建模

本文通过ADAMS软件建立了轻型载货汽车驾驶室悬置系统的多体动力学模型。在模型建立过程中，需要对驾驶室悬置系统做适当简化，将驾驶室、座椅等视为刚体。在讨论驾驶室平顺性时，将驾驶室看作刚体的立体模型，这一立体模型主要考虑垂向振动、俯仰振动和侧倾振动3个自由度[4]。

ADAMS建模时，首先根据悬置位置参数建立4个悬置位置的空间坐标点，在悬置位置上建立驾驶室刚体立体模型，悬置与驾驶室之间通过阻尼弹簧连接，如图10所示。然后，输入驾驶室质心坐标、质量、惯性参数、阻尼弹簧刚度和阻尼。最后，根据驾驶室悬置系统各元件之间的实际连接方式建立模型的连接副，如图11所示，模型中所添加的约束类型及数目如表1所列。通过CAE仿真，获得包括驾驶员、副驾驶员在内的驾驶室等效参数，如表2所列。弹簧刚度曲线如图12所示，阻尼为0.1。

图10为通过ADAMS软件建立的驾驶室悬置系统3自由度模型。悬置系统共有11个自由度，分别为驾驶室3个自由度、悬置总成8个自由度。

表1 3自由度驾驶室悬置系统约束副类型及数量

表2 轻型载货汽车驾驶室等效参数

3 驾驶室悬置参数优化

3.1 3自由度驾驶室悬置系统振动模态分析

对驾驶室悬置进行模态分析，可以了解驾驶室悬置模态分布，通过改进模态分布，可以避免驾驶室与汽车其他总成产生共振，有效减少驾驶室内的振动。通过ADAMS/View/Simulate模块对驾驶室悬置系统模型进行模态分析，可以得到驾驶室悬置系统的固有频率及相应振型，如表3所示。由表3可知,通过ADAMS分析出的驾驶室悬置系统主要振动模态频率和对应的振型分别为7.5 Hz侧倾运动、10.2 Hz俯仰与上下平动耦合运动（前悬置共振）以及13.5 Hz俯仰与上下平动耦合运动（后悬置共振），前悬置共振频率低于后悬置共振频率。

表3 3自由度驾驶室悬置系统振动模态

3.2 结果对比分析

仿真结果与试验结果对比如表4所示。模型在10.2 Hz时振型为俯仰与上下平动，表现为前悬置共振，与道路试验中前悬置共振频率9.9 Hz相吻合。模型在13.5 Hz时振型为俯仰与上下平动，表现为后悬置共振，与道路试验中后悬置共振频率12.9 Hz相吻合。由于悬置系统铰链连接处存在装配间隙和摩擦，因此在模型建立过程中做了简化，忽略了运动元件之间的一些关系，但两个频率误差均小于5%，精度较高，能够满足工程分析，验证了驾驶室等效参数的可靠性以及3自由度驾驶室悬置系统动力学模型的有效性。

表4 道路试验结果与ADAMS模态分析结果对比

4 优化方案提出及验证

4.1 优化方案提出

由仿真结果可知，前两阶固有频率分别为7.5 Hz、10.2 Hz，避开了4个悬置主动侧能量集中范围10～20 Hz，即前两阶固有频率对悬置引起的共振起到消减作用。而第3阶固有频率为13.5 Hz，处于4个悬置主动侧能量集中范围，增强了悬置和驾驶室的共振。另外，通过模态试验已知驾驶室第1阶固有频率为27.5 Hz，当悬置激励与驾驶室频率比小时，悬置与驾驶室共振削弱。因此，为了减少悬置与驾驶室共振，必须降低驾驶室悬置系统第3阶固有频率。悬置垂向刚度参数的优化可以降低驾驶室受到的位移激励[5]。驾驶室悬置优化活动中前部弹簧刚度需比后部弹簧刚度更大[6]。基于试验和仿真结果，并考虑操纵稳定性及改进成本，提出3种优化方案：保持前悬置刚度不变，后悬置刚度分别降低10%、20%、30%。

3种优化方案计算结果如表5所示。由表5可知，随着后悬置刚度的降低，驾驶室悬置系统的3阶固有频率均降低，且悬置刚度降低越多，各阶固有频率越小。3种优化方案的第1阶振型均为侧倾，第2阶振型表现为前悬置共振，第3阶振型表现为后悬置共振。后悬置刚度降低30%时，第2阶振型表现为以后悬置为轴线的俯仰运动，第3阶振型表现为以前悬置为轴线的俯仰运动，这使得驾驶室分别在第2阶、第3阶固有频率时，驾驶室前部、后部振动加剧，因而，该方案不可取。而对于后悬置刚度降低10%和20%两种方案，各阶振型相似，但是，后者各阶固有频率均低于前者，尤其是第3阶相差0.5 Hz，所以后者比前者减振效果更好。因此，采用后悬置刚度降低20%，第3阶固有频率有较大幅度下降，可以有效降低由悬置主动侧引起的共振，达到降低驾驶室振动效果。

4.2 优化方案验证试验

优化方案验证试验与上述道路试验条件保持一致。试验道路为沥青路，试验车速为80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h、120 km/h。

采用驾驶员座椅处加速度均方根值进行评估，优化前、后对比如图13所示。从对比结果可以看出，在不同车速下，驾驶室座椅处加速度均方根值均降低，在80 km/h、90 km/h工况下降低34%，在100 km/h工况下降低29%，在110 km/h工况下降低19%，在120 km/h工况下降低16%。优化试验效果比较明显，从而验证了优化方案的有效性。