雷盼飛，周良生，畢鳳榮，石純放

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津300161； 2.軍事交通運輸研究所，天津300161；3.天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津300072)

車身多點懸置系統(tǒng)穩(wěn)定性靈敏度分析

雷盼飛1，周良生2，畢鳳榮3，石純放3

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津300161； 2.軍事交通運輸研究所，天津300161；3.天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津300072)

為研究軍用越野汽車車身穩(wěn)定性問題，建立整車多體動力學(xué)模型，進行懸置系統(tǒng)的位置、剛度參數(shù)對振動水平和涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響分析。結(jié)果表明，懸置位置參數(shù)及側(cè)向剛度參數(shù)對系統(tǒng)隔振性能影響較大且呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系；在涉及穩(wěn)定性因素后，中前懸置點位置參數(shù)和后懸置點剛度參數(shù)對評價函數(shù)和穩(wěn)定性有顯著影響。

車身多點懸置系統(tǒng)；穩(wěn)定性；正交設(shè)計試驗；靈敏度分析

Keywords: carriage multi-point suspension system; stability; orthogonal design experiment; sensitivity analysis

軍用重型越野車輛行駛路況差，上裝對平順性要求高，因此對車身多點懸置系統(tǒng)的研究有重要的現(xiàn)實意義[1]。本文以某軍用重型越野車輛為模型樣車，建立整車多體動力學(xué)模型，加裝車身多點懸置系統(tǒng)，基于正交試驗進行懸置系統(tǒng)的隔振性能對位置、剛度參數(shù)的靈敏度分析，對懸置系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化等具有參考作用。

1 整車多體動力學(xué)建模與驗證

1.1整車模型的建立

以車身多點懸置系統(tǒng)為研究對象，車輛多點懸置系統(tǒng)振動分析簡化模型如圖1所示。建模過程中，假設(shè)條件如下：

圖1 車輛多點懸置系統(tǒng)振動分析簡化模型

(1)忽略駕駛室懸置及動力總成系統(tǒng)的振動，將車架及駕駛室視為剛體；

(2)上裝簡化為密度均勻分布的長方體；

(3)將車輪視為剛體，通過其與振動臺的接觸參數(shù)模擬其剛度、阻尼。定義車輛坐標(biāo)系Oxyz，原點O位于前軸軸線中心處，xy平面平行于水平地面，x軸垂直于前軸指向車輛后方，y軸平行于前軸指向駕駛員右側(cè)，z軸服從右手定則。

以某軍用重型越野車輛為模型樣車，利用離散梁(Beam)方法建立前、后鋼板彈簧懸架模型[2]，創(chuàng)建其他幾何構(gòu)件，通過運動副連接，在ADAMS/View中裝配成整車模型。

1.2整車模型驗證

1.2.1 整車質(zhì)量參數(shù)及懸掛系統(tǒng)參數(shù)測量

根據(jù)GB/T 12538—2003和GB/T 4783—1984，在空載狀態(tài)下對整車質(zhì)心位置及懸掛系統(tǒng)固有頻率及阻尼比進行試驗測量。整車轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)文獻[3]進行計算。

1.2.2 整車模型的驗證

整車模型的質(zhì)量參數(shù)根據(jù)ADAMS軟件所提供的質(zhì)量計算工具箱直接讀取。在ADAMS/ Vibration模塊中，利用強迫振動分析法，進行前、后懸掛系統(tǒng)的掃頻(0～20 Hz)，結(jié)果如圖2所示。

從上表可以看出在人民公園、植物園、動物園等7大城市公園綠地中以孤植、片植、綠籬方式示范栽植的新疆忍冬成活率都達到了99%以上，抽取的2131株樣本中成活2119株，平均成活率達到99.44%。新疆忍冬在西寧市區(qū)的適應(yīng)性良好，生長健康健壯，花果觀賞價值高，景觀配置效果非常好，是今后可以推廣的良好城市綠化景觀樹種。

(a)前懸架

(b)后懸架圖2 前、后懸架強迫振動分析頻響函數(shù)圖

根據(jù)圖2的掃頻結(jié)果，可以得到前、后懸掛系統(tǒng)的簧上、簧下質(zhì)量的固有頻率。整車模型參數(shù)與試驗值的誤差見表1。由表1可知，整車質(zhì)量參數(shù)及前后懸掛系統(tǒng)固有頻率的試驗結(jié)果與模型參數(shù)的誤差分析，其相對誤差均控制在±8%內(nèi)，在工程誤差允許的范圍內(nèi)，因此證明建立的模型符合實際。其中，前軸懸掛系統(tǒng)車身部分偏頻的誤差較大，分析其主要原因是車身簡化所導(dǎo)致。

表1 模型參數(shù)與試驗值的誤差分析結(jié)果

2 加裝車身多點懸置系統(tǒng)

試驗樣車車身與車架縱梁之間原采用U型螺栓固定連接，現(xiàn)將其更換為多點橡膠塊彈性連接。參照當(dāng)前固定連接點位置及相關(guān)試驗，選取懸置點的數(shù)量為8個，左右對稱并由前至后進行編號(如圖3所示)。在加裝過程中將彈性懸置元件前后均勻布置于車架縱梁上，設(shè)置懸置點距離縱梁外側(cè)邊緣20 mm，懸置元件在滿載狀況下的初始高度為100 mm。

圖3 懸置點位置

利用阻尼器(Bushing)模擬橡膠懸置元件，忽略其扭轉(zhuǎn)方向剛度及阻尼，將懸置元件簡化為三向剛度阻尼元件[4]。根據(jù)廠商提供的信息，一般采用硬質(zhì)橡膠的硬度為邵氏A80度，其阻尼約為1 N·s/mm，設(shè)定初始三向剛度均為600 N/mm。

3 車身多點懸置系統(tǒng)靈敏度分析

3.1正交試驗設(shè)計

采用正交設(shè)計試驗(design of orthogonal experimental, DOE)方法[5]進行參數(shù)靈敏度分析。由于車輛固有結(jié)構(gòu)的限制，以兩側(cè)懸置點x向布置位置Xi、懸置元件垂向剛度KZi及側(cè)向剛度KCi(i=1～4)作為設(shè)計變量，并假定左右兩側(cè)相應(yīng)懸置點參數(shù)一致，不考慮懸置V型布置及阻尼變化。試驗中共計12個變量，定義每個變量取3個水平值，其中水平1設(shè)定為名義值。具體設(shè)計變量及所取水平見表2。

根據(jù)變量數(shù)目與所取水平數(shù)目，編制正交試驗表L27(313)[6](見表3)。選取上裝質(zhì)心處3個方向的加速度均方根值(Rx、Ry、Rz)、垂向位移極差Zmax、上裝側(cè)傾角度極差α和俯仰角度極差β記錄試驗結(jié)果，在空間D級仿真路面[7]40 km/h下進行仿真計算。

表2 DOE設(shè)計變量及各水平取值

3.2僅考慮振動水平的參數(shù)靈敏度分析

評價函數(shù)參照ISO 2631—1:1997(E)與GB/T 4970—2009，考慮3個軸向的振動加速度均方根值RMS(記為Rx、Ry、Rz)，并且取x、y兩個水平軸向的軸加權(quán)系數(shù)為1.4[8]。為便于比較，將其進行歸一化處理，以試驗1為名義值，試驗2中振動水平的評價函數(shù)f1(2)定義為

式中下標(biāo)1與2為試驗1與試驗2相應(yīng)指標(biāo)的取值。試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3中W1列。

定義每個試驗變量3個水平對應(yīng)的試驗結(jié)果均值分別為yj1、yj2、yj3(j=1～12)，并計算每個試驗變量各水平均值的極差Cj=max (yj1,yj2,yj3) -min(yj1,yj2,yj3)。根據(jù)靈敏度的數(shù)學(xué)意義，定義試驗結(jié)果對參數(shù)x的靈敏度Sj為

式中Xj(max)、Xj(min)為在第j個設(shè)計變量中yj1、yj2、yj3取最大、最小值時設(shè)計變量的取值。計算結(jié)果見表4。

根據(jù)極差分析法，極差越大說明該變量對試驗結(jié)果影響越大，該變量也越重要。由表4可知，X1對上裝振動水平影響最大，X3次之。側(cè)向剛度參數(shù)的影響遠大于垂向剛度參數(shù)，尤其是KC1和KC2，垂向剛度方面，KZ3影響最大。

由靈敏度結(jié)果分析可知，對于位置參數(shù)，上裝振動水平對X1最敏感，其靈敏度為0.130 4，對X3與X2較為敏感，達到0.1以上；相比垂向剛度參數(shù)，上裝振動水平對側(cè)向剛度更為敏感，KC1和KC2的靈敏度分別達到了0.495 4和0．348 8，垂向剛度中KZ3靈敏度最大，為0.114 5。

表3 正交設(shè)計試驗表及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表4 振動水平對懸置參數(shù)的靈敏度

3.3涉及穩(wěn)定性的參數(shù)靈敏度分析

在定義隔振性能的過程中，不僅需要將振動水平降低，也需要嚴(yán)格控制被隔振物體的運動[9]。添加上裝質(zhì)心處垂向位移極差Zmax、側(cè)傾角極差α和俯仰角極差β等3個表征穩(wěn)定性的參數(shù)作為評價指標(biāo)。

計算中，針對各指標(biāo)之間單位不一致，進行歸一化處理，試驗2中涉及穩(wěn)定性的評價函數(shù)f2(2)定義為

實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3中W2列，靈敏度計算見表5。表5中，X3對涉及穩(wěn)定性的上裝振動水平影響最大，而非上述X1，側(cè)向剛度的影響依舊大于垂向剛度，垂向剛度中KZ4的影響顯著提高。

根據(jù)靈敏度計算結(jié)果，評價函數(shù)對X2最敏感，而非上述X1；側(cè)向剛度參數(shù)的靈敏度依舊大于垂向剛度，垂向剛度中KZ2的靈敏度顯著減小。其中主要參數(shù)對不涉及/涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響趨勢如圖4—6所示，其中A、B分別表示對不涉及/涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響。1、3號懸置點x向位置越靠后隔振效果越好，而2號懸置點的位置在名義值附近時隔振效果最好；垂向剛度對評價函數(shù)影響較小，且影響規(guī)律不同，但在名義值±50%范圍內(nèi)，剛度傾向于取較小值；側(cè)向剛度與評價函數(shù)成正相關(guān)的關(guān)系，在名義值±50%范圍內(nèi)其值越小隔振效果越好。

表5 涉及穩(wěn)定性的振動水平對懸置參數(shù)的靈敏度

圖4 主要位置參數(shù)對不涉及/涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響

圖5 主要垂向剛度參數(shù)對不涉及/涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響

圖6 主要側(cè)向剛度參數(shù)對不涉及/涉及穩(wěn)定性的振動水平的影響

4 結(jié) 論

(1)車身前3個懸置點的x向位置參數(shù)對評價函數(shù)影響較大，且1號、3號懸置點分別向后移動400mm、200mm后，評價函數(shù)f2分別減小了42.6和50.6；垂向剛度參數(shù)對評價函數(shù)影響較小，且影響趨勢復(fù)雜；側(cè)向剛度參數(shù)對評價函數(shù)影響較大，尤其是1、2號懸置點，其側(cè)向剛度從300 N/mm增大至900 N/mm，評價函數(shù)f2分別增大了22.4%和14.7%，這些參數(shù)在懸置系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化過程中需要著重考慮。

(2)靈敏度分析的過程中，評價函數(shù)分別考慮了振動水平和涉及穩(wěn)定性的振動水平兩種狀況，發(fā)現(xiàn)在涉及穩(wěn)定性因素后，X2和KZ4的影響程度明顯增加，KC4的影響程度明顯減小，說明這些參數(shù)對穩(wěn)定性的影響非常顯著。

(3)在評價函數(shù)中加入穩(wěn)定性指標(biāo)，可以將車身的運動狀況納入考慮范圍，使其對懸置系統(tǒng)隔振性能的評價更加全面。本文用于靈敏度分析的評價函數(shù)對懸置系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化階段的評價也有一定的借鑒意義。

[1] 于海波,徐倩倩.某越野軍車車身懸置系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)[C]//中國汽車工程學(xué)會.2015中國汽車工程學(xué)會年會論文集:第3卷.北京:中國汽車工程學(xué)會,2015:4.

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(編輯：張峰)

SensitivityAnalysisforStabilityofCarriageMulti-pointSuspensionSystem

LEI Panfei1, ZHOU Liangsheng2, BI Fengrong3, SHI Chunfang3
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Institute of Military Transportation, Tianjin 300161, China; 3.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

● 車輛工程VehicleEngineering

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.011

U461.6

A

1674-2192(2017)09- 0045- 05

2017-04-25；

2017-06-07．

雷盼飛(1992—)，男，碩士研究生；周良生(1965—)，男，博士，高級工程師，碩士研究生導(dǎo)師．