胡楓 曾發(fā)林 劉雅晨 蔡嘉偉

摘要：商用車駕駛室懸置系統(tǒng)作為駕駛室與車架之間的連接機構，在衰減振動、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用。該文在多體動力學仿真軟件ADAMS中創(chuàng)建駕駛室模型，對其進行運動學仿真，并將駕駛室質心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側向加速度均方根值作為優(yōu)化目標，在Insight模塊中進行多目標優(yōu)化，通過合理選取駕駛室懸置系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，提高商用車駕駛室乘坐舒適性。

關鍵詞：ADAMS；駕駛室懸置系統(tǒng)；DOE試驗設計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0230-03

由于商用車多用于長途貨運，其駕駛室能否為駕駛員提供較適宜的駕駛環(huán)境直接關系人身財產安全，因此，商用車駕駛室品質越發(fā)受到關注。商用車駕駛室懸置系統(tǒng)作為駕駛室與車架之間的連接機構，在衰減振動、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用[1][2]。

本文以駕駛室質心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側向加速度均方根值為優(yōu)化目標，利用多體動力學仿真軟件ADAMS對駕駛室進行運動學仿真，并在Insight模塊中進行多目標優(yōu)化，通過合理選取駕駛室懸置系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，提高商用車駕駛室乘坐舒適性。

1 駕駛室模型的建立

1.1 駕駛室懸置系統(tǒng)力學關系分析

本文以某款商用車所采用的全浮四點式懸置為基礎，在建立模型之前，首先對駕駛室的力學關系進行分析[3]。在不考慮駕駛室、車架、車橋等部件自身彈性變形的情況下，以懸置系統(tǒng)與車架連接處的垂向振動加速度（x1、x2、x3、x4）為激勵，以駕駛室座椅處垂向加速度y1、縱向加速度y2以及側向加速度y3為響應，可得駕駛室振動狀態(tài)方程：

[Xis*Hs=Yjs] [（1）]

式中，[i=1，2，3，4]； [j=1，2，3；]

[Xis=[X1s，X2s，X3s，X4s]]為激勵拉氏變換，[H（s）]為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，[Yij（s）]為響應的拉氏變換。

根據(jù)各激勵點相對應的功率譜密度函數(shù)[G11s]，[G22（s）]，[G33（s）]，[G44（s）]，以及傳遞函數(shù)矩陣

[Hs=[Hiy1s，Hiy2s，Hiy3（s）]]，可求得駕駛室輸出功率譜：

[ Gyjyj=i=i4Hiyj2Gii（s）] [（2）]

由式（2）可得駕駛室三個方向的加速度均方根值：

[ σyj=0∞Gyjyjsds12=0∞i=i4Hiyj2Gii（s）ds12][（3）]

1.2 創(chuàng)建駕駛室懸置系統(tǒng)模型

由于本文主要以駕駛室座椅處的三向振動加速度為響應，因此，將駕駛室視作剛體，忽略其自身彈性變形；同時，考慮到參考車輛中懸置系統(tǒng)阻尼器的阻尼特性為非線性阻尼，為了方便建模和仿真計算，本文對這些元件進行了簡單的線性化處理，即利用線性的襯套來替代非線性的阻尼器。

根據(jù)參考車輛駕駛室及懸置系統(tǒng)基本參數(shù)、模型力學關系（式（1）～（3））以及上述簡化情況，在ADAMS/View中建立駕駛室及其懸置系統(tǒng)振動仿真模型如圖1所示。

2 駕駛室模型的檢驗

2.1 樣車道路試驗

創(chuàng)建的駕駛室模型是否接近實車，將直接影響到后續(xù)優(yōu)化設計的有效性，因此，本文借助相關道路試驗和仿真對駕駛室模型的準確性加以檢驗。

本文所選參考車輛為半掛式載重汽車，多行駛在高速公路或一、二級公路上，用于長途運輸，根據(jù)GB/T 920-2002《公路路面等級與面層類型代碼》，高速公路或一、二級公路上均屬于高級路面，即路面功率譜密度較小，因此，參考GB7031-2005《機械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告》中所提供的路面功率譜密度計算公式：

（[n]為空間頻率（[m-1]）；[n0=-0.1m-1]為參考空間頻率；[Gdn0]為參考空間頻率[n0]下的路面功率譜密度，即路面不平度系數(shù)；[ω]為頻率指數(shù)，決定了路面功率譜密度的頻率結構），以及A～E路面的不平度系數(shù)（如表1），選擇B級路面作為試驗路面。

根據(jù)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，讓參考車輛在滿載狀態(tài)下分別以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和70km/h的速度在B級路面上勻速直線行駛一段距離，利用單向加速度傳感器獲取參考車輛懸置系統(tǒng)與車架連接處的垂向振動加速度；同時，利用三向加速度傳感器獲得駕駛室座椅處的垂向、縱向以及側向加速度，并計算相應的加速度均方根值。

2.2 駕駛室模型驗證

將所獲參考車輛懸置系統(tǒng)與車架連接處的垂向振動加速度作為激勵函數(shù)輸入到駕駛室模型中進行仿真，獲得各車速下的駕駛室座椅上三向振動加速度均方根值。（[awy1、awy2、awy3]）與試驗測得值（[a'wy1、a'wy2、a'wy3]）相比較，比較結果如表2～表4。

對比結果表明，三個方向加速度均方根值的仿真結果與試驗結果均相近，其中，垂向最大誤差為6.3%，縱向最大誤差為4.4%，側向最大誤差為8.1%，均在合理范圍內，說明將駕駛室視作剛體以及部分元件線性化所獲得的駕駛室仿真模型基本準確。

3 駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 DOE參數(shù)化分析方法

DOE（Design of Experiments），即試驗設計，是一種應用于分析多個設計變量發(fā)生變化時，各個變量對研究目標的影響程度的參數(shù)化分析方法，包括設計矩陣的建立和試驗結果的統(tǒng)計分析等。

生產實踐中，設計人員常根據(jù)經驗知識，采用試錯法或施加強力的方法來探究和優(yōu)化機械系統(tǒng)的性能。但當面對較為復雜的設計問題時，這些方法往往不能快速地得出系統(tǒng)化公式化的答案。一次改變一個因素（也稱設計參數(shù)，F(xiàn)actors）不能反映因素之間的相互影響情況，若進行多次仿真同時測試多個不同的因素則會產生大量的輸出數(shù)據(jù)，增加設計人員評估的難度。而DOE作為一種快速有效的分析方法，可以為安排試驗和分析試驗結果提供一整套步驟和統(tǒng)計工具，大體包括以下五個基本步驟：

（1） 確定試驗目的；

（2） 為系統(tǒng)選擇需要考察的因素集，并設計某種方法來測量系統(tǒng)的響應；

（3） 確定每個因素的值，在試驗中將因素改變來考察對試驗的影響；

（4） 進行試驗，并將每次運行的系統(tǒng)性能記錄下來；

（5） 分析在總的性能改變時，哪些因素對系統(tǒng)的影響最大。

考慮到本文所采用的四點式駕駛室懸置系統(tǒng)的四個位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度均可能對駕駛室振動產生影響[9]，即包涵多個因素，因此選用DOE方法對懸置系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化設計方案的確立

3.2.1 設計因素及系統(tǒng)響應的選擇

本文所采用的駕駛室懸置系統(tǒng)為四點式布置，為了充分考慮各個懸置結構參數(shù)對響應的影響，在確立設計因素時，將四個位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度共八個參數(shù)，均列為設計因素。

在ADAMS/Insight中對八個因素的變化范圍進行設置，其中，前懸置（左）螺旋彈簧剛度和后懸置（右）減振器阻尼的設置分別如圖2、3所示。

同時，觀察表2～4發(fā)現(xiàn)，試驗與仿真測得的駕駛室質心縱向加速度均方根值和側向加速度均方根值的數(shù)值均很小，且遠小于垂向加速度均方根值，因此，在本次優(yōu)化中，將駕駛室質心垂向加速度均方根值作為唯一的系統(tǒng)響應，并將駕駛室質心垂向加速度均方根值最小作為優(yōu)化試驗目標，如圖4所示。

3.2.2試驗矩陣的創(chuàng)建和設計類型的選擇

在DOE分析中，需根據(jù)試驗目的創(chuàng)建相應的試驗矩陣，矩陣的列代表著所選取的因素，行用于表示每個因素在每次計算中所對應的水平級，并根據(jù)水平級來確定各因素在運算時的具體值。

本文選用DOE Screening （2-level）的方法，創(chuàng)建了八因素兩水平的試驗矩陣，如表5所示，該方法多用于確定影響系統(tǒng)行為的某因素和某些因素的組合以及每個因素對輸出會產生多大的影響；選擇Fractional Factorial作為優(yōu)化試驗的設計類型，該類型普遍應用于篩選重要變量并主要用于兩水平的因素，能夠估計其對系統(tǒng)的影響，如圖5所示。

3.2.3 優(yōu)化試驗結果分析

通過優(yōu)化計算，得到以駕駛室質心垂向加速度均方根值最小作為優(yōu)化試驗目標的設計因素值，如表5所示。

表中，Kf、Cf分別表示前懸置（左右對稱）剛度、阻尼，Kr、Cr分別表示后懸置（左右對稱）剛度、阻尼。

根據(jù)表5的計算結果修改駕駛室懸置系統(tǒng)的相關參數(shù)，并對修改后的模型進行仿真，得到優(yōu)化后不同車速下駕駛室質心垂向加速度均方根值，如表6所示。

表6 優(yōu)化前后駕駛室質心垂向加速度均方根值（m/s2）

從表6可以明顯看出，在各個車速下，駕駛室質心垂向加速度均方根值較優(yōu)化前均有超過10%的降低，可見駕駛室懸置系統(tǒng)性能得到改善，車輛乘坐舒適性得到提高。

4 結論

1） 以某款商用車駕駛室所采用的全浮四點式懸置系統(tǒng)為基礎，分析其懸置系統(tǒng)的力學傳遞關系，并據(jù)此在多體動力學仿真軟件ADAMS中建立駕駛室懸置系統(tǒng)模型。

2） 通過針對樣車平順性的道路試驗和相應仿真試驗，獲得樣車及模型在多個車速工況下的駕駛室質心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側向加速度均方根值，驗證駕駛室懸置系統(tǒng)模型的正確性。

3） 根據(jù)數(shù)據(jù)分析，選擇駕駛室質心垂向加速度均方根值作為主要優(yōu)化目標，在ADAMS/Insight模塊中利用DOE試驗設計方法進行優(yōu)化計算，研究了懸置系統(tǒng)四個懸置點彈簧剛度及減振器阻尼系數(shù)對駕駛室振動的影響。

4） 仿真結果表明，通過優(yōu)化計算獲得的懸置系統(tǒng)參數(shù)，使得駕駛室質心垂向加速度均方根值在各個車速下較優(yōu)化前均有超過10%的降低，有效降低了駕駛室的振動，提高了乘坐舒適性。

參考文獻：

[1] 李鵬飛，馬力，何天明，等. 商用車駕駛室懸置隔振仿真研究[J]. 汽車工程，2005，27（6）：740-743.

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

[3] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

【通聯(lián)編輯：代影】