李 寧， 周躍良

(湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心，武漢 430040)

某四軸越野車底盤平順性試驗(yàn)研究

李 寧， 周躍良

(湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心，武漢 430040)

路面是汽車振動(dòng)的主要激勵(lì)源，除此之外還有一些其它影響因素.針對(duì)一款四軸越野車底盤開展平順性道路試驗(yàn)，研究該底盤平順性的主要影響因素.試驗(yàn)結(jié)果表明:車速為40 km/h和70 km/h時(shí),該底盤平順性較差.應(yīng)用功率譜密度方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，計(jì)算激勵(lì)源的振動(dòng)頻率.計(jì)算結(jié)果表明:車輪不平衡質(zhì)量是導(dǎo)致底盤行駛平順性隨車速變化的主要原因.

四軸越野車；平順性；試驗(yàn)研究；車輪不平衡質(zhì)量

一款四軸越野車前后懸架均采用平衡懸架形式，車架前后位置分別只有一個(gè)位置與車橋連接，其結(jié)構(gòu)特征及振動(dòng)特征與兩軸車近似.經(jīng)過多年的發(fā)展，兩軸汽車平順性研究已經(jīng)比較成熟，而且形成了比較明確的設(shè)計(jì)原則[1-3]：①前懸架偏頻應(yīng)比后懸架偏頻低10%～15%；②汽車俯仰振動(dòng)頻率應(yīng)比垂直振動(dòng)頻率低，垂直振動(dòng)頻率不大于1.2倍的俯仰振動(dòng)頻率；③汽車慣性系數(shù)Id應(yīng)接近1，使車身俯仰中心在車橋附近，其中Id=Jy/(msab)，Jy為汽車俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ms為汽車簧載質(zhì)量，a為質(zhì)心到前橋的距離，b為質(zhì)心到后橋的距離；④汽車慣性系數(shù)Id小于1時(shí)，汽車俯仰振動(dòng)頻率將大于垂直振動(dòng)頻率，以俯仰振動(dòng)為主，商用車及越野車軸距較長(zhǎng)，一般情況Id小于1；⑤車輪不平衡質(zhì)量、尺寸不均勻性及垂直剛度變化對(duì)汽車平順性均有影響.

雖然目前仿真分析技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是四軸越野車平順性試驗(yàn)研究仍然是一項(xiàng)非常重要的工作，一方面是因?yàn)槠巾樞杂绊懸蛩胤倍啵抡婀ぷ骱茈y考慮周全；另一方面，個(gè)別整車參數(shù)無法測(cè)量，仿真分析工作很難開展.汽車平順性主要與前后懸架剛度、汽車質(zhì)量、質(zhì)心位置及俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，而目前四軸越野車俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無法測(cè)量，平順性仿真分析工作很難直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作.為此，針對(duì)四軸越野車出現(xiàn)的平順性問題進(jìn)行試驗(yàn)研究工作.

1 試驗(yàn)條件

1.1 研究對(duì)象

四軸越野車底盤由車架、車橋等部分組成，如圖1所示，一橋車輪(A)與二橋車輪(C)通過平衡懸架(B)與車架(D)連接，三橋車輪(E)與二橋車輪(G)通過平衡懸架(F)與車架(D)連接.路面振動(dòng)只能經(jīng)過位置B和F傳到車身上，其平順性特征與兩軸車接近.四軸越野車底盤設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)車設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 四軸越野車結(jié)構(gòu)示意圖

由于沒有大型汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)，汽車俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量未知.車身垂直振動(dòng)頻率與懸架剛度及汽車質(zhì)量密切相關(guān)，根據(jù)表1所示懸架偏頻可以預(yù)知車身垂直振動(dòng)頻率應(yīng)低于2 Hz.輪胎滾動(dòng)半徑為0.611 m，用以確定車輪激勵(lì)頻率.輪胎胎壓為0.7 MPa.駕駛室前懸置采用銷軸結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，前懸置處車架垂直振動(dòng)與駕駛室地板垂直振動(dòng)相同.

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)

四軸越野車底盤平順性試驗(yàn)在圖2所示試驗(yàn)場(chǎng)高環(huán)道路上進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集區(qū)為水泥平路面，每隔5 m有一個(gè)狹縫，狹縫周圍分布有高約3 mm、寬約200 mm的水泥結(jié)塊，對(duì)平順性有一定影響.

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

在駕駛室內(nèi)安裝陀螺儀，測(cè)量車身俯仰角速度，確定車身俯仰振動(dòng)頻率.在駕駛員座椅及駕駛室地板安裝三方向加速度傳感器，在一橋板簧座安裝垂直方向加速度傳感器.試驗(yàn)車在高環(huán)道路上勻速行駛，當(dāng)試驗(yàn)車進(jìn)入圖2所示數(shù)據(jù)采集區(qū)間時(shí)，記錄所有通道試驗(yàn)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集區(qū)間長(zhǎng)度為400 m，每個(gè)車速進(jìn)行3次試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 計(jì)算加速度均方根值

應(yīng)用科學(xué)解算軟件MATLAB對(duì)不同車速平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用MATLAB軟件自帶的韋爾奇功率譜估計(jì)函數(shù)pwelch計(jì)算駕駛員座椅垂直加速度功率譜密度[4-5]，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，駕駛員座椅垂直振動(dòng)能量主要集中在2.35 Hz和2.7 Hz附近，初步判斷振動(dòng)頻率隨車速變化是由于鋼板彈簧干摩擦引起的.對(duì)車身俯仰角速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計(jì)，結(jié)果如圖4所示，車身俯仰振動(dòng)頻率在2.3 Hz附近，可見平順性試驗(yàn)過程中以俯仰運(yùn)動(dòng)為主.

根據(jù)汽車平順性試驗(yàn)方法(GB/T4970-2009)，利用圖3所示功率譜計(jì)算垂直振動(dòng)加速度均方根值，計(jì)算結(jié)果如表2所示.結(jié)果表明車速為50 km/h和60 km/h時(shí)駕駛室垂直振動(dòng)強(qiáng)度較小，車速為40 km/h和70 km/h時(shí)垂直振動(dòng)強(qiáng)度較大，需要進(jìn)一步分析研究四軸越野車底盤平順性影響因素.

圖3 不同車速時(shí)駕駛員座椅垂直加速度功率譜

圖4 車身俯仰角速度功率譜

表2 測(cè)量點(diǎn)垂直振動(dòng)加速度均方根值 m/s2

測(cè)點(diǎn)位置車速40km/h車速50km/h車速60km/h車速70km/h駕駛員座椅1.81.51.41.8駕駛室地板1.71.51.72.0

2.2 計(jì)算外部激勵(lì)頻率

對(duì)一橋板簧座垂直加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計(jì)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示，板簧座主要振動(dòng)能量集中在1.65 Hz、2.46 Hz、4.34 Hz以及6～9 Hz.由圖4可判斷2.46 Hz為汽車俯仰振動(dòng)頻率，6～9 Hz應(yīng)為車橋振動(dòng)頻率.根據(jù)后文分析，1.65 Hz與路面周期激勵(lì)有關(guān)，4.34 Hz是輪胎不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率[6].

對(duì)駕駛室地板垂直加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計(jì)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，駕駛地板振動(dòng)能量主要集中在1.65 Hz、2.46 Hz、4.34 Hz.與圖5相比，高于4.34 Hz的振動(dòng)能量大部分被懸架衰減.根據(jù)式(1)計(jì)算頻率1.65 Hz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為10 m，是試驗(yàn)路面狹縫間隔的2倍，根據(jù)式(1)計(jì)算頻率4.34 Hz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為3.84 m.根據(jù)式(2)計(jì)算頻率4.34 Hz對(duì)應(yīng)的半徑為0.612 m，與輪胎滾動(dòng)半徑0.611 m接近，因此判斷該頻率與輪胎不平衡質(zhì)量有關(guān).

(1)

(2)

式中：V為車速，km/h；f為激勵(lì)頻率，Hz.

圖6所示為駕駛員座椅垂直加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)功率譜估計(jì)結(jié)果，相對(duì)駕駛室地板計(jì)算結(jié)果，頻譜構(gòu)成沒有變化.為了避免振動(dòng)能量被大幅衰減給計(jì)算分析帶來不便，下文主要研究駕駛室地板垂直振動(dòng)頻譜特性.

圖5 一橋板簧座垂直加速度功率譜

圖6 駕駛員座椅垂直加速度功率譜

2.3 車速相關(guān)頻譜分析

將不同車速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計(jì)，計(jì)算結(jié)果如圖7～圖11所示.車速為50 km/h時(shí)，路面激勵(lì)頻率2.79 Hz與車身俯仰振動(dòng)頻率接近，如圖7所示，對(duì)駕駛室振動(dòng)會(huì)有一定影響，但影響有限.車速為60 km/h時(shí)，路面激勵(lì)頻率1.65 Hz和車輪激勵(lì)頻率4.34 Hz與俯仰振動(dòng)頻率2.46 Hz相差較大，如圖8所示，因此沒有產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，但車輪激勵(lì)頻率4.34 Hz對(duì)駕駛室垂直振動(dòng)有一定影響.

圖7 駕駛室地板垂直加速度譜密度(50 km/h)

圖8 駕駛室地板垂直加速度譜密度(60 km/h)

車速為40 km/h時(shí)，駕駛員座椅垂直振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線包絡(luò)具有明顯的拍現(xiàn)象，如圖9所示，說明駕駛室振動(dòng)劇烈是由兩個(gè)頻率相近的振動(dòng)共同作用的結(jié)果.

如圖10所示，輪胎不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率2.92 Hz與車身俯仰振動(dòng)頻率2.63 Hz相近.因此可以判斷此時(shí)駕駛室振動(dòng)強(qiáng)烈與車輪激勵(lì)有關(guān).

如圖11所示，車速為70 km/h時(shí)，輪胎不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率5.04 Hz與車橋振動(dòng)頻率接近，造成駕駛室垂直振動(dòng)劇烈.圖11中5.4～5.8 Hz和8～9 Hz區(qū)間內(nèi)的峰值應(yīng)當(dāng)與車橋垂直振動(dòng)有關(guān)，前者為一二橋同向垂直振動(dòng)頻率，后者為一二橋反向垂直振動(dòng)頻率.

將不同車速的激勵(lì)頻率繪制在同一圖中，可得激勵(lì)頻率與車速的關(guān)系曲線，如圖12所示.

圖9 駕駛員座椅垂直加速度數(shù)據(jù)(40 km/h)

圖10 駕駛室地板垂直加速度功率譜(40 km/h)

圖11 駕駛室地板垂直加速度功率譜(70 km/h)

綜上所述，駕駛室地板垂直振動(dòng)主要與4種頻率成分有關(guān)，波長(zhǎng)為5 m的路面激勵(lì)頻率及1/2倍頻、波長(zhǎng)為3.84 m的輪胎不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率、車橋振動(dòng)頻率和車身俯仰振動(dòng)頻率.

圖12 激勵(lì)頻率與車速關(guān)系圖

3 結(jié) 論

針對(duì)前后橋均采用平衡懸架的四軸越野車底盤進(jìn)行隨機(jī)路面平順性試驗(yàn)研究，研究表明：

1)車速為40 km/h和70 km/h時(shí)駕駛室垂直振動(dòng)劇烈與車輪不平衡質(zhì)量密切相關(guān)；

2)車速為40 km/h時(shí)，車輪不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率與車身俯仰頻率相近，導(dǎo)致駕駛室座椅垂直振動(dòng)加速度均方根值偏大；

3)車速為70 km/h時(shí)，車輪不平衡質(zhì)量激勵(lì)頻率與車橋振動(dòng)頻率相近，導(dǎo)致駕駛室座椅垂直振動(dòng)加速度均方根值偏大；

4)車速為50 km/h時(shí)，路面周期激勵(lì)與車身俯仰頻率相近，容易產(chǎn)生共振，但是由于路面激勵(lì)能量較小，對(duì)駕駛室座椅垂直振動(dòng)影響有限.

應(yīng)用文中方法可針對(duì)越野車底盤駕駛室異常振動(dòng)問題開展試驗(yàn)研究工作.

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Experiment Research on Ride Comfort of a 4-axle Off-road Vehicle

LI Ning, ZHOU Yue-liang

(Hubei Space Technology Academic Special Vehicle Technology Center, Wuhan 430040, China)

Road surface roughness was considered as a major source of vehicle vibrations, but there were other factors causing the vibrations. A 4-axle off-road vehicle was tested on the road in order to find out the main influence factors on its ride comfort of the vehicle. The testing results showed that the poor performance on the ride comfort appeared at both about 40 km/h and 70 km/h of the vehicle speeds. The Power Spectral Density method was used to do frequency domain analysis of the test data, and then the frequency of each exciting source was calculated. The calculation results indicated that the unbalanced mass of the wheels was the main exciting sources to cause the deterioration of the ride comfort at different speeds.

4-axle off-road vehicle; Ride comfort; Experiment research; Wheel unbalance mass

1009-4687(2014)04-0050-04

2014-06-24

李 寧(1983-)，男，博士，研究方向?yàn)檐囕v工程.

U461.4

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