李秀山，曾發(fā)林，劉漢光，唐傳政，朱亮亮

(1. 江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2. 徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州，221004)

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廂式運(yùn)輸車(chē)駕駛室懸置參數(shù)的優(yōu)化與匹配分析

李秀山1，曾發(fā)林1，劉漢光2，唐傳政1，朱亮亮1

(1. 江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2. 徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州，221004)

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立廂式運(yùn)輸車(chē)駕駛室懸置多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型，以駕駛室地板處加速度均方根值為評(píng)價(jià)對(duì)象，并且利用正交設(shè)計(jì)原理與ADAMS仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)原車(chē)駕駛室懸置隔振系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與匹配問(wèn)題進(jìn)行研究。在B級(jí)路面上分別進(jìn)行了5種車(chē)速下的仿真計(jì)算，并提出對(duì)原車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果表明該方案能夠明顯改善整車(chē)的行駛平順性，解決了原車(chē)隔振效果差的問(wèn)題。

車(chē)輛工程；駕駛室懸置；多體動(dòng)力學(xué)；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化；平順性

某廂式運(yùn)輸車(chē)如圖1，其半浮式駕駛室懸置系統(tǒng)是參考國(guó)內(nèi)同類(lèi)車(chē)型進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)的，由于對(duì)國(guó)內(nèi)同類(lèi)型車(chē)輛的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)背景和車(chē)輛使用環(huán)境等了解不夠全面，因而該車(chē)輛的平順性較差，不能滿足人體舒適性要求，因此需要對(duì)車(chē)輛的平順性進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需要，改變駕駛室懸置類(lèi)型，改為全浮式駕駛室懸置，利用ADAMS軟件對(duì)原車(chē)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與正交設(shè)計(jì)理論相結(jié)合進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與匹配[1]，對(duì)車(chē)輛駕駛室懸置系統(tǒng)的彈簧與減振器的參數(shù)進(jìn)行重新選擇和匹配，取得了良好效果。

筆者利用ADAMS技術(shù)[2]，建立了基于振動(dòng)舒適性道路試驗(yàn)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，并應(yīng)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法對(duì)該車(chē)型的駕駛室懸置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與匹配，將仿真試驗(yàn)與道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[3]，找出最優(yōu)組合，改善了原車(chē)平順性較差的狀況，提高了該車(chē)的乘坐舒適性，為國(guó)內(nèi)應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行整車(chē)平順性的研究提供了借鑒參考。

圖1 試驗(yàn)樣車(chē)Fig.1 Test vehicle

1 整車(chē)虛擬樣機(jī)的建立及驗(yàn)證

1.1 整車(chē)模型的建立

根據(jù)企業(yè)提供的CAD模型，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/View模塊建立整車(chē)的虛擬樣機(jī)模型，整車(chē)模型包括駕駛室懸置系統(tǒng)及車(chē)架、駕駛室、前后懸架、輪胎、轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)。其中駕駛室作為剛體考慮，為簡(jiǎn)化模型，減少建模的難度，駕駛室前懸置螺旋彈簧與阻尼都用襯套代替，具體做法是在駕駛室前懸置上托架與下托架之間添加襯套。虛擬樣機(jī)整車(chē)模型如圖2，建立的駕駛室懸置多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3。

圖2 虛擬樣機(jī)整車(chē)模型Fig.2 Virtual prototype model of the vehicle

圖3 駕駛室動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Cab dynamic model

1.2 振動(dòng)舒適性道路試驗(yàn)

為了驗(yàn)證ADAMS/View中建立的駕駛室懸置模型的正確性，對(duì)廂式運(yùn)輸試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行了振動(dòng)舒適性道路試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)樣車(chē)以不同車(chē)速在瀝青路面(B級(jí)路面)上行駛時(shí)駕駛室地板的振動(dòng)加速度和車(chē)廂地板的振動(dòng)加速度。試驗(yàn)時(shí)廂式車(chē)分別以30，40，50，60，70 km/h在瀝青路面上進(jìn)行振動(dòng)舒適性道路試驗(yàn)。將加速度傳感器布置在駕駛室的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置形式如圖4，采集各測(cè)點(diǎn)的傳感器振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

圖4 傳感器布置點(diǎn)Fig.4 Sensor placement point

1.3 仿真模型的驗(yàn)證

由于試驗(yàn)樣車(chē)駕駛室懸置為半浮式懸置，且企業(yè)缺少該車(chē)駕駛室懸置力學(xué)特性參數(shù)，結(jié)合企業(yè)要求將該車(chē)駕駛室懸置設(shè)計(jì)為全浮式懸置。由于沒(méi)有具體參數(shù)無(wú)法通過(guò)仿真驗(yàn)證建立的駕駛室懸置模型正確與否，故而通過(guò)對(duì)車(chē)廂地板中心點(diǎn)的振動(dòng)加速度來(lái)驗(yàn)證整車(chē)模型(除了駕駛室)的是否正確。

在ADAMS/View中整車(chē)在滿載情況下分別以40，50，60，70 km/h速度在B級(jí)路面上行駛時(shí)，測(cè)量車(chē)廂地板中心點(diǎn)的垂向加速度均方根值，將該測(cè)點(diǎn)垂向的加速度均方根值與試驗(yàn)樣車(chē)的車(chē)廂地板中心垂向加速度均方根值的功率譜密度曲線進(jìn)行對(duì)比[5]，如圖5。為對(duì)比更清楚，將線性坐標(biāo)改為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)描述，從圖5中可看出，在低頻范圍內(nèi)(0～10 Hz)，仿真曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合。

圖5 車(chē)廂地板中心垂向加速度實(shí)驗(yàn)值和仿真值的功率譜密度對(duì)數(shù)對(duì)比曲線Fig.5 Power spectrum density logarithmic contrast curve of the floor center vertical acceleration test value and simulation value

在3 Hz以下，人對(duì)水平方向的振動(dòng)比垂直方向更為敏感。由于俯仰角振動(dòng)會(huì)引起水平振動(dòng)，對(duì)商用車(chē)來(lái)說(shuō)俯仰振動(dòng)對(duì)平順性影響很大，因此為了改善平順性，應(yīng)盡量減小俯仰角加速度。測(cè)量車(chē)廂中心點(diǎn)的橫向角加速度，將該測(cè)點(diǎn)橫向的角加速度與試驗(yàn)樣車(chē)的車(chē)廂中心角加速度的功率譜密度曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6。同樣為了對(duì)比更清楚，將線性坐標(biāo)改為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)描述，從圖中可以看出，在低頻范圍內(nèi)(0～10 Hz)，仿真曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合。

圖6 車(chē)廂中心角加速度實(shí)驗(yàn)值和仿真值的功率譜密度對(duì)數(shù)對(duì)比曲線Fig.6 Power spectrum density logarithmic contrast curve of the car central angle acceleration test value and simulation value

由于未建立座椅模型，考慮到實(shí)際需要，選取駕駛室地板垂直方向的加權(quán)加速度均方根值來(lái)評(píng)價(jià)駕駛室的舒適性。仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表1。由表1可知，樣車(chē)以不同車(chē)速仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，證明所建立的懸架系統(tǒng)仿真模型是正確的。

表1 實(shí)車(chē)與仿真試驗(yàn)車(chē)廂地板中心振動(dòng)加速度對(duì)比

2 優(yōu)化方法

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表進(jìn)行科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法[6]，其主要優(yōu)點(diǎn)是能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)方案，并且通過(guò)這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案，同時(shí)還可以作進(jìn)一步的分析，得到比試驗(yàn)結(jié)果本身給出的還要多的有關(guān)各因素的信息。

2.2 駕駛室懸置參數(shù)正交試驗(yàn)優(yōu)化分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)ISO2631[4]，用加權(quán)加速度均方根值來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體舒適性的影響，而ADAMS中并沒(méi)有直接的加權(quán)加速度均方根值評(píng)價(jià)目標(biāo)。筆者利用MATLAB軟件編寫(xiě)程序，根據(jù)ISO2631，在0.5～80 Hz內(nèi)，按照1/3倍頻帶的加權(quán)系數(shù)對(duì)駕駛室地板處的功率譜進(jìn)行加權(quán)，得到垂直方向的加權(quán)加速度均方根值，以此為評(píng)價(jià)目標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化[7]。

根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際，選擇前懸置剛度、前懸置阻尼、后懸置剛度、后懸置阻尼為設(shè)計(jì)變量，因試驗(yàn)樣車(chē)的駕駛室懸置系統(tǒng)螺旋彈簧剛度與前后減震器阻尼不等，但左右對(duì)稱(chēng)，所以取4個(gè)變量為因素，每個(gè)因素分為4個(gè)水平，選取駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w和駕駛室地板垂直方向加速度均方根值RMS為試驗(yàn)指標(biāo)。

表2 設(shè)計(jì)變量

2.3 優(yōu)化分析結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)為4因素4水平試驗(yàn)，不考慮交互作用，4因素共占4列，選L16(45)最合適，并有1空列，可以作為試驗(yàn)誤差以衡量試驗(yàn)的可靠性?？疾煸囼?yàn)樣車(chē)以60 km/h的速度行駛時(shí)各因素的不同水平對(duì)駕駛室地板處的加權(quán)加速度均方根值的影響。表3給出16次仿真得到的駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w、駕駛室地板垂直方向均方根值RMS及分析結(jié)果。

表3 L16(45)駕駛室懸置參數(shù)正交試驗(yàn)方案與分析結(jié)果

注：Ki是某個(gè)因素所在列的第i水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值；R為Awi與RMSi中的極大值與極小值的差。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在第3號(hào)試驗(yàn)(A1B3C3D3)的試驗(yàn)條件下，測(cè)得的駕駛室地板處垂直方向加權(quán)加速度均方根值A(chǔ)w最小(0.478 1 m/s2);在第4號(hào)試驗(yàn)(A1B4C4D4)的試驗(yàn)條件下，測(cè)得的駕駛室地板垂向均方根值RMS最小(0.728 3 m/s2)。以上兩指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致，必須根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳試驗(yàn)條件。

根據(jù)正交試驗(yàn)理論，極差越大，因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響越大，因此四個(gè)因素對(duì)駕駛室地板處的加權(quán)加速度均方根值與加速度均方根值的影響大小順序?yàn)椋?主)A>B>D>C(次)。根據(jù)正交試驗(yàn)的分析結(jié)果可推斷出前后懸置的剛度與阻尼的最佳匹配為：A1B3C2D3，即駕駛室懸置參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)表4。試驗(yàn)中并沒(méi)有此種組合，再次仿真可得此種組合下，與試驗(yàn)原車(chē)對(duì)比，駕駛室地板處加權(quán)加速度與加速度均方根值分別改善了64.59%，41.26%，見(jiàn)表5。說(shuō)明優(yōu)化后的懸置參數(shù)可以有效地提高駕駛員的乘駕舒適性，如圖7。

表4 駕駛室懸置參數(shù)設(shè)置

表5 改進(jìn)百分比

Table 5 Improve percentage

圖7 優(yōu)化前后駕駛室地板加速度時(shí)域曲線對(duì)比Fig.7 Contrast acceleration time-domain curve of cab floor before and after optimization

3 結(jié) 論

1)筆者利用正交試驗(yàn)與ADAMS技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化方法對(duì)于解決駕駛室懸置系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化問(wèn)題的有效性，提出了解決這類(lèi)問(wèn)題的方法和思路，為今后解決該類(lèi)問(wèn)題提供了參考。

2)筆者沒(méi)有考慮到剛度與阻尼之間的交互式關(guān)系對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)的影響，因此對(duì)駕駛室懸置參數(shù)匹配的精度有一定的影響，在以后的研究中應(yīng)給予考慮。

3)利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得出該廂式運(yùn)輸車(chē)駕駛室懸置參數(shù)最優(yōu)組合，按照該組合仿真得出結(jié)論，與試驗(yàn)原車(chē)對(duì)比，駕駛室地板處加權(quán)加速度與加速度均方根值分別改善了64.59%，41.26%，說(shuō)明優(yōu)化后的懸置參數(shù)可以有效地提高駕駛員的乘駕舒適性。

[1] 趙永輝,馬力,朱祝英.商用車(chē)全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2007(3):83-85. Zhao Yonghui,Ma Li,Zhu Zhuying.Optimal design of full float cab suspension system of commercial vehicles[J].Noise and Vibration Control,2007(3):83-85.

[2] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002. Zheng Jianrong.ADAMS Virtual Prototype Technology Introduction and Improve [M].Beijing:China Machine Press,2002.

[3] 陳無(wú)畏,王磊,陳曉新.重型牽引車(chē)全浮式駕駛室懸置參數(shù)的優(yōu)化與匹配分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,33(10):1446-1449. Chen Wuwei,Wang Lei,Chen Xiaoxin.Optimizing and matching analysis of suspension parameters of full-floating cab of heavy tractor [J].Journal of Hefei University of Technology:Natural Science,2010,33(10):1446-1449.

[4] GB/T 4970—2009 汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010. GB/T 4970—2009 Test Method for Vehicle Ride Comfort[S].Beijing:China Standard Press,2010.

[5] 張軍峰.重型商用車(chē)駕駛室振動(dòng)舒適性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011. Zhang Junfeng.Study on Vibration Comfort of Heavy-Duty Commercial Vehicle Cab[D].Chongqing:Chongqing University,2011.

[6] 中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計(jì)組.正交試驗(yàn)法[M].北京:人民教育出版社,1975. The Group of Mathematical Statistics in Mathematics Institute of Chinese Sciences Academy.Orthogonal Experiment[M].Beijing:People’s Education Press,1975.

[7] 王新宇.重型卡車(chē)駕駛室懸置仿真分析與優(yōu)化[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007. Wang Xinyu.Simulation Analysis and Optimizing of Cab Suspension of Heavy Tractor[D].Changchun:Jilin University,2007.

Optimizing and Matching Analysis of Suspension Parameters of Van Truck Cab

Li Xiushan1, Zeng Falin1, Liu Hanguang2, Tang Chuanzheng1, Zhu Liangliang1

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou 221004, Jiangsu, China)

Multi-body dynamics simulation model of van truck cab suspension was established by using multi-body dynamics software ADAMS. Appreciation of the cab floor acceleration RMS, combining the orthogonal design with ADAMS simulation, it researches on vibration isolation system parameters optimization and matching problem of the van truck cab suspension. On theBgrade road, simulations at five different speeds were respectively calculated, and the optimization scheme of the original car cab suspension system parameters was put forward. The results of optimization show that the scheme can obviously improve the vehicle ride comfort and the effect of original vehicle vibration isolation.

vehicle engineering; cab suspension; multi-body dynamics; orthogonal experiment; parameter optimization; comfort

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.31

2013-03-31；

2013-04-19

李秀山(1987—)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事汽車(chē)CAE及平順性方面的研究。E-mail:wsstudent163@163.com。

U461.4

A

1674-0696(2015)02-144-04