楊輝張瑞亮王鐵陳峙陳澔利劉寶乾

（1.太原理工大學(xué)；2.大運(yùn)汽車制造有限公司）

自卸車駕駛室懸置系統(tǒng)試驗與優(yōu)化*

楊輝1張瑞亮1王鐵1陳峙1陳澔利2劉寶乾2

（1.太原理工大學(xué)；2.大運(yùn)汽車制造有限公司）

對某自卸車進(jìn)行道路試驗，采集不同速度及路況下的振動信號并進(jìn)行分析，建立了駕駛室懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真模型。針對3種典型工況，以前、后懸置彈簧剛度與減振器阻尼為因子,運(yùn)用ADAMS優(yōu)化模塊對駕駛室懸置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出3組適合該車型的參數(shù)匹配值，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用正交試驗技術(shù)對這3組值進(jìn)行再優(yōu)化，最終確定1組適合3種典型工況的駕駛室懸置最佳匹配值。

1 前言

國內(nèi)、外企業(yè)與高等院校對駕駛室振動舒適性的研究主要集中在通過分析駕駛室振動信號的頻率成分、峰值變化規(guī)律判斷引起劇烈振動的主要部件[1，2]，通過應(yīng)用多體動力學(xué)技術(shù)與試驗設(shè)計技術(shù)仿真優(yōu)化得出駕駛室懸置剛度和阻尼的最佳匹配值來提高乘坐舒適性[3～5]等方面。

本文針對某公司研制的自卸車，應(yīng)用多體動力學(xué)分析方法建立駕駛室懸置模型，并通過平順性試驗驗證模型可信性，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化得出3組針對不同工況的剛度、阻尼參數(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化得出1組最佳參數(shù)匹配值，為懸置改進(jìn)提供方法與建議。

2 懸置結(jié)構(gòu)分析

本文研究的駕駛室懸置結(jié)構(gòu)如圖1所示。前懸置如圖1a所示，由彈簧減振器、中支架、下支架、橫向穩(wěn)定桿等組成；懸置左右對稱，中間通過1根橫向穩(wěn)定桿與左右中支架焊接。后懸置如圖1b所示，由上支架、中支架、下支架、彈簧減振器、連接桿等組成，其中，彈簧減振器與下支架成一定角度。

3 平順性試驗與分析

結(jié)合自卸車常用工況并參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，采集扭曲路面低速行駛、碎石路面中速行駛、平坦路面高速行駛工況下的駕駛室地板與懸置機(jī)構(gòu)下點(diǎn)加速度振動信號并進(jìn)行分析。

3.1 試驗過程

a.滿載情況下測試

樣車裝載規(guī)定量的石塊，布置并連接左前、左后懸置下點(diǎn)傳感器以及駕駛室地板傳感器。測試中，要求在扭曲路段車速保持在5～10 km/h，碎石路段車速保持在20～30 km/h，平坦路段車速保持在40～50 km/h。測試3圈結(jié)束后，查看信號，確保信號無異常波段后結(jié)束。

b.空載情況下測試

卸掉石塊，調(diào)試好設(shè)備后再次進(jìn)行樣車測試，測試路段和測試車速與滿載情況相同。

3.2 數(shù)據(jù)處理

參照GB/T 4970-2009汽車平順性試驗方法，采用MATLAB對駕駛室地板的加速度信號進(jìn)行加權(quán)加速度均方根值與加權(quán)振級計算，結(jié)果如表1所示。通過對3種工況下的數(shù)值對比可以發(fā)現(xiàn)，除滿載扭曲路段低速行駛的駕駛室內(nèi)部主觀感受沒有不舒適外，剩下的路況與車速下駕駛室內(nèi)部主觀感受均處于不舒適區(qū)間；相同測試條件下，空載駕駛室主觀感受舒適性均比滿載差；3種工況下碎石路面中速行駛時的舒適性最差。通過與同類車型比較可知，該款自卸車的駕駛室舒適性較差。

表1 駕駛室地板處加速度加權(quán)均方根值對比

4 仿真與試驗驗證

4.1 懸置模型建立

采用ADAMS交互式建模，首先在CATIA軟件中建立駕駛室與懸置系統(tǒng)模型，然后導(dǎo)入到ADAMS/ VIEW模塊中，對于駕駛室質(zhì)量、懸置剛度、阻尼等參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)分別輸入。對各個部件施加約束，其中，駕駛室作為剛體考慮，橫向穩(wěn)定桿利用FLEX柔性體模塊離散化成8根梁，梁與梁之間由6分力連接，懸置系統(tǒng)中的鉸接部件分別采用球副、萬向節(jié)副等連接，懸置下方采用激振塊代替車架。駕駛室懸置多剛體動力學(xué)仿真模型如圖2所示。模型建立后通過靜力校驗與自由度驗證，確保了模型的靜力平衡。

4.2 懸置試驗驗證

以空載時3種工況下采集的加速度信號為仿真模型振動輸入，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域下的加速度功率譜密度曲線PSD導(dǎo)入ADAMS。由于懸置只對機(jī)構(gòu)上、下連接處的垂向振動有較大影響[6]，因此仿真試驗主要針對垂向進(jìn)行分析。

在ADAMS仿真模型中以懸置系統(tǒng)的4個激振塊代替車架作為信號的輸入點(diǎn)，以駕駛室駕駛員座椅下方地板處為輸出點(diǎn)，應(yīng)用ADAMS/Vibration模塊進(jìn)行仿真分析，其中振動計算初始頻率與終止頻率分別設(shè)置為0.1 Hz和60 Hz，仿真步數(shù)設(shè)置600步，繪出仿真輸出曲線與試驗曲線對比如圖3所示，由于15 Hz以后的振動曲線幅值不大，因此曲線圖截止到15 Hz。

從圖3中對比可得，試驗曲線與仿真曲線在曲線振型與對應(yīng)頻率上比較接近，兩曲線最大峰值對應(yīng)的幅值如表2所示，誤差保持在21%以內(nèi)，說明模型具有一定可信性，可以用來進(jìn)行樣車的動態(tài)特性仿真優(yōu)化。

表2 試驗與仿真PSD對比

5 模型參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

5.1 典型工況分別優(yōu)化

從圖3可以得出，3種工況下的駕駛室地板垂向PSD曲線波峰幅值都較大，為了降低駕駛室地板垂向最大波峰的幅值，運(yùn)用ADAMS優(yōu)化模塊分別進(jìn)行3種工況下的駕駛室懸置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。以駕駛室地板波峰最大幅值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)，其中初始與終止計算頻率設(shè)置為0.1 Hz和20 Hz，仿真步數(shù)設(shè)置200步，以駕駛室前、后懸置點(diǎn)的剛度與阻尼共4個設(shè)計變量為試驗因子，建立試驗因子的約束條件，其中彈簧剛度水平選取范圍為30～90 N/mm，減振器阻尼水平選取范圍為3～9 N·s/mm。

優(yōu)化后的駕駛室地板垂向PSD曲線如圖4所示，可知3種不同工況下優(yōu)化后的目標(biāo)值分別下降了36.7%、31.2%、32.6%，具體優(yōu)化目標(biāo)值以及對應(yīng)的剛度、阻尼值如表3所示。

5.2 DOE方法整體優(yōu)化

通常自卸車的行駛路況是由扭曲、碎石及平坦路面等互相疊加組成，因此需要對上述3組優(yōu)化值進(jìn)行整合，得到1組適用于3種典型工況的最佳優(yōu)化值。

應(yīng)用試驗設(shè)計技術(shù)DOE進(jìn)行再次優(yōu)化，以駕駛室地板垂向最大幅值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以前述得到的3組剛度、阻尼優(yōu)化值為試驗因子，組成4個因子、3個水平、9次試驗的L9（34）正交表進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化迭代曲線如圖5所示，優(yōu)化后的最佳剛度、阻尼值如表4所示。

表3 優(yōu)化結(jié)果

表4 再次優(yōu)化后的剛度阻尼值

對比優(yōu)化前、后空載與滿載時3種路況疊加下的駕駛室地板垂向PSD曲線如圖6所示，曲線幅值有明顯下降，其中空載工況最大幅值下降37.1%，滿載工況最大幅值下降22.9%。

6 結(jié)束語

采用ADAMS優(yōu)化模塊，以駕駛室地板垂向波峰幅值最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以4個懸置的剛度、阻尼為設(shè)計變量，得到1組適合不同工況的最佳匹配值。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，駕駛室地板垂向最大振幅有明顯降低。

從優(yōu)化前、后的地板PSD曲線可以得出，調(diào)整懸置剛度、阻尼參數(shù)雖不能徹底消除駕駛室地板振動的波峰，但能夠很好地削弱波峰振幅，為下一步的改進(jìn)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1 劉建婭，李舜酩，張袁元，安木金.某型卡車駕駛室橫向擺動的分析研究.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（4）：579～581.

2 孫加平，張袁元，李舜酩，劉建婭.某重型卡車駕駛室振動測試與診斷.機(jī)械設(shè)計與制造，2010，9：213～215.

3 陳靜，曹曉琳，王登峰，張斌，李玉生.重型商用車駕駛室空氣懸置系統(tǒng)的匹配優(yōu)化.吉林大學(xué)學(xué)報，2009，39（5）：1125～1129.

4 王楷炎.商用車駕駛室懸置系統(tǒng)動力學(xué)仿真、優(yōu)化與試驗研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

5 P.Lemerle,P.Boulanger,R.Poirot.A simplified method to design suspended cabs for counterbalance trucks.Journal of Sound and Vibration.2002.253（1）:283～293.

6 張?zhí)m，曾佳.紅巖金剛車全浮式駕駛室懸置設(shè)計分析.北京汽車，2010（5）：12～16.

7 王鐵，高昱，申晉憲.水罐消防車操縱穩(wěn)定性與平順性的仿真優(yōu)化.汽車工程，2012，34（12）：1114～1118.

8 彭朝暉.重型自卸車平順性仿真分析及優(yōu)化：[學(xué)位論文].太原：太原理工大學(xué)，2013.

9 劉道東，王鐵，高昱，李海林.汽車整車性能評價方法的研究.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（3）：379～383.

10 彭朝暉，王鐵，申晉憲，李直，王景新.基于ADAMS的礦用自卸車建模與平順性仿真.礦山機(jī)械，2013，41（3）：44～47.

11 申可生.商用車駕駛室空氣懸置系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化匹配：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2011.

12 李海林，王鐵，申晉憲，劉珍.被動空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化.機(jī)械傳動，2012，6（2）：50～52.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年12月1日。

Test and Optimization of Dump Truck Cab Suspension System

Yang Hui1,Zhang Ruiliang1,Wang Tie1,Chen Zhi1,Chen Haoli2,Liu Baoqian2
（1.Taiyuan University of Technology；2.Shanxi Dayun Automobile Manufacture Co.Ltd）

In this research,road test is conducted for a dump truck and the vibration signals under different speed and road conditions are acquired and analyzed,and a multi-body dynamics simulation model is established for the cab suspension in ADAMS.For the three typical conditions,ADAMS optimization module is applied for parameters optimization of the cab suspension system with stiffness of the front and rear suspension spring and the damping as test factors,to obtain three groups of parameter matching values suitable for this model.And on this basis,orthogonal test technology is used for re-optimization of these three groups of values.Finally the paper determines a group of optimal matching values suitable for three different conditions of the truck.

Dump truck,Cab suspension,NVH,ADAMS,Optimization

自卸車 駕駛室懸置系統(tǒng) NVH ADAMS 優(yōu)化

U463.81

A

1000-3703（2015）02-0004-04

山西省自然科學(xué)基金項目資助，項目名稱：基于用戶使用條件的典型工況重型自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性分析（2012011024-2）。