彭旺，李松芙（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

某型電動客車后輪跳動問題分析與改進(jìn)

彭旺，李松芙
（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

介紹某板簧電動客車在緊急制動工況下的后輪跳動問題并進(jìn)行原因分析，找出引起該問題的根源，并通過CAE仿真分析提出可行的改進(jìn)方案，順利解決問題。

電動客車；緊急制動；后輪跳動；板簧懸架

在開發(fā)某板簧電動客車過程中，樣車性能測試階段，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行緊急制動工況時后輪出現(xiàn)嚴(yán)重跳動現(xiàn)象。之前有學(xué)者使用試錯法，通過增加減振器減弱抖動，但沒有從根源上解決問題[1]。本文分析這種跳動的產(chǎn)生的根源，并給出從根源上解決問題的方案。

1 問題描述及原因分析

某板簧客車在干燥的水泥路面，在ABS開啟的情況下，以30 km/h以上車速進(jìn)行緊急制動[2]（縱向減速度達(dá)到1 g）時，出現(xiàn)后輪跳動的現(xiàn)象，而在進(jìn)行一般強(qiáng)度的制動時并沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象；在干燥的瀝青路面，在ABS開啟的情況下，以60 km/h以上車速進(jìn)行緊急制動時，出現(xiàn)后橋跳動現(xiàn)象，車速較低時沒有出現(xiàn)跳動的現(xiàn)象。

分析以上現(xiàn)象可知，該車型只要制動強(qiáng)度足夠大使得后輪抱死，才會出現(xiàn)后輪跳動的現(xiàn)象。水泥路面比瀝青路面硬，制動時后輪更容易出現(xiàn)抱死，所以在水泥路面速度較低時就出現(xiàn)了跳動的現(xiàn)象。推測如果關(guān)掉ABS估計(jì)跳動問題會更嚴(yán)重。為了驗(yàn)證推測，關(guān)掉ABS后重新進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 ABS關(guān)閉后兩種路面試驗(yàn)抖動對比主觀評價(jià)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，ABS關(guān)閉后跳動問題變得更加嚴(yán)重了。由于關(guān)閉ABS后，車輛后輪更加容易出現(xiàn)抱死，從而導(dǎo)致跳動變得更加嚴(yán)重。這證實(shí)了是由于車輛制動強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，如果出現(xiàn)后輪抱死則會導(dǎo)致后輪跳動的結(jié)論。后來也在低附濕滑路面進(jìn)行類似的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車輛在低強(qiáng)度時輪胎抱死并不會出現(xiàn)后輪跳動的現(xiàn)象。

為了從數(shù)據(jù)上分析產(chǎn)生這種跳動的原因，需要對關(guān)鍵位置進(jìn)行加速度測量。加速度傳感器安裝位置分別是板簧（左上）、后輪心（右上）、后橋（左下）和地板（右下）。測試工況為ABS關(guān)閉下，在瀝青路面上進(jìn)行車速分別為20 km/h、30 km/h、40 km/h的緊急制動測試。由于車速為40 km/h時后輪跳動已經(jīng)很激烈，為了避免損壞設(shè)備就不再進(jìn)行更高車速的測試了。時域的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過商業(yè)軟件Ncode進(jìn)行頻譜分析[3]后，得到加速度響應(yīng)的頻率變化特性，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果如表2所示。

表2 加速度峰值頻率統(tǒng)計(jì)圖表

由試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，不同車速下的簧下質(zhì)量（輪心、后橋、板簧）的跳動頻率主要發(fā)生在15 Hz和30 Hz附近；簧上質(zhì)量（車身地板）跳動頻率發(fā)生在2.7 Hz和30 Hz附近。通過分析制動力的傳遞路徑發(fā)現(xiàn)，制動力從地面?zhèn)鬟f到車輪和車橋，再經(jīng)過板簧傳遞到車身，傳遞的過程中造成板簧自身變形很大，所以需要分析后懸架系統(tǒng)自身的頻率特性。

2 仿真研究和優(yōu)化

為了分析整車以及系統(tǒng)的固有頻率，在Adams/car[4-5]中建立整車動力學(xué)模型，用有限元軟件將板簧單片建成柔性，在Adams中組裝起來，簧片之間用VFORCE模擬接觸力，建成和其他底盤和車身系統(tǒng)組裝成整車剛?cè)狁詈螦dams/car模型，如圖1所示。用該模型進(jìn)行整車模態(tài)分析可以得到整車的模態(tài)振型和固有頻率。由于制動跳動過程中整車先發(fā)生俯仰，然后后橋出現(xiàn)跳動，所以重點(diǎn)關(guān)注整車俯仰方向的模態(tài)頻率和懸架跳動的局部模態(tài)頻率。通過模態(tài)分析[6]可得，整車俯仰方向的模態(tài)頻率為2.44 Hz；后懸架跳動模態(tài)頻率為15.1 Hz；前懸架縱向移動和跳動復(fù)合振型頻率為31.3 Hz。通過剛?cè)狁詈系亩囿w動力學(xué)模態(tài)分析，可以得到試驗(yàn)過程中加速度幅值峰值頻率對應(yīng)的振型，為分析問題的根源和改進(jìn)方案提供依據(jù)。

圖1 整車剛?cè)狁詈螦dams/car模型

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，峰值最大的主頻率為15.1 Hz，另外對縱向加速度分析也可以得到主頻率為14.6 Hz?？梢娭苿舆^程中輪胎抱死后路面對輪胎的縱向激勵與簧下跳動頻率接近是造成該跳動問題的主要原因。為了進(jìn)一步分析模態(tài)分布情況，對40 Hz以下低頻率的模態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3中改進(jìn)前的結(jié)果所示，局部模態(tài)頻率在12 Hz和15 Hz都出現(xiàn)后輪跳動，局部模態(tài)之間間隔不夠大容易產(chǎn)生局部振型之間共振。路面的激勵和簧下懸架跳動頻率接近，同時局部模態(tài)共振共同影響使得后輪跳動。

為了避免局部模態(tài)和路面激勵之間共振，需要使得路面的激勵和局部模態(tài)錯開3 Hz以上。同時為了避免局部模態(tài)之間的共振，局部模態(tài)之間也必須錯開3 Hz以上。為了改善該跳動問題必須提高后懸架跳動的頻率，同時消除部分局部模態(tài)。從汽車?yán)碚揫7]可知，車輪跳動的圓頻率公式：

其中：k為垂向剛度；kt為輪胎垂向剛度；m1為簧下質(zhì)量。

從式（1）可知，影響該圓頻率最大的因素是簧下質(zhì)量。從圖2后懸架[8]模型可知，后橋上連接一個質(zhì)量塊很大的驅(qū)動電機(jī)，而電機(jī)和車身之間沒有任何連接，可見這種布置會使得后懸架跳動頻率降低。輪胎垂向剛度一般是板簧垂向剛度的3倍多，輪胎選型后一般不作更改。根據(jù)式（1），如果單從板簧剛度上調(diào)整效果不明顯，則需要從簧下質(zhì)量布置上提出優(yōu)化的方案。為了改變懸架跳動的局部模態(tài)，將驅(qū)動電機(jī)安裝靠近板簧前端，即使大質(zhì)量塊靠近懸架跳動的中心位置，改進(jìn)后的模態(tài)分布如表3中改進(jìn)后的結(jié)果所示。改進(jìn)方案避開了激勵頻率14.6 Hz，同時后輪跳動模態(tài)頻率間隔增大，理論上可以有效地改善后橋跳動問題。但是由于車輛已經(jīng)處于樣車階段，實(shí)施該方案改動量太大，所以該方案只能作為以后同類新車型開發(fā)的方案。這里需要繼續(xù)開發(fā)可行而且易于實(shí)施的替代方案。理論上更改板簧剛度對簧下頻率影響不大，實(shí)際也證實(shí)了這一點(diǎn)?？紤]到阻尼可以減少振動的幅值，所以作為可行和易于實(shí)施的方案，在驅(qū)動電機(jī)后端增加一個減振器和車架相連接。通過調(diào)整減振器阻尼值，主觀評價(jià)振動可以接受，至此問題基本得到解決。

表3 仿真模態(tài)頻率及振型分布表

圖2 后懸架數(shù)模

3 結(jié)論

1）主觀評價(jià)可以快速評價(jià)車輛性能，客觀的加速度數(shù)據(jù)測試進(jìn)行頻譜分析可以得到振動頻率。

2）車輛動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ涂梢詫Π寤煽蛙囘M(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)合測試數(shù)據(jù)可以分析問題的根源。

3）用增加減振器來增加阻尼是治標(biāo)不治本的方法。要從根源上解決該問題，則需要從整車模態(tài)分布著手，避免激勵頻率和局部模態(tài)頻率共振，同時也避免局部模態(tài)間的共振。

[1]張鑫，李鵬，秦歲，等.某電動中型客車制動抖動原因分析[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（4）：13-15.

[2]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法：GB 12676-2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014：10.

[3]平鵬.機(jī)械工程測試與數(shù)據(jù)處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：4.

[4]陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2008：10.

[5]陳志偉，董月亮.MSC Adams多體動力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012：6.

[6]曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析-理論實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001：3.

[7]余志生.汽車?yán)碚揫M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：10.

[8]王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：4.

修改稿日期：2017-04-05

Analysis and Improvementon the Trouble of Rear Wheels Jump ofan Electric Bus

Peng Wang,LiSongfu
（BYD Auto Industry Co.,Ltd,Shenzhen 518118,China）

The authors introduce the trouble ofthe rear wheels jump under the emergency braking for a leafspring bus,and analyze the reasons,find outthe rootofthe trouble,and though CAE simulation putforward the feasible improvementproject.They solve the trouble successfully.

electric bus;emergency brake;rearwheeljump;leafsuspension

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）04-0040-03

彭旺（1982-），男，研發(fā)主管；主要負(fù)責(zé)整車研發(fā)與總體設(shè)計(jì)工作。