呂振華, 張 鴻

(清華大學(xué) 車輛與運載學(xué)院，北京 100084)

特種無人越野車輛等機動裝備的振動沖擊直接影響車載儀器設(shè)備的運行穩(wěn)定性和基本工作性能，而且會導(dǎo)致儀器設(shè)備出現(xiàn)多種故障與損壞.因此，車載精密電子、光學(xué)儀器設(shè)備的工作性能與耐久性的保持必需有優(yōu)良的隔振緩沖系統(tǒng)，隔振緩沖系統(tǒng)匹配設(shè)計是車載儀器設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中的重要技術(shù).雖然關(guān)于一般精密儀器設(shè)備隔振緩沖的基本要求及重要性是比較明確的[1-2]，但國內(nèi)外至今發(fā)表的有關(guān)車載儀器設(shè)備隔振技術(shù)的研究工作尚很少，只有一些關(guān)于衛(wèi)星、無人機系統(tǒng)等的相關(guān)研究工作.文獻[3]為衛(wèi)星的力矩陀螺執(zhí)行器設(shè)計了匯聚式的被動式隔振方案，對其六自由度振動傳遞率進行了參數(shù)優(yōu)化；文獻[4]以某小型無人機在地面滑跑振動過程中機載相機的垂向加速度與俯仰角位移均方根值為控制目標(biāo)，對相機安裝位置及其隔振器參數(shù)等進行了優(yōu)化；文獻[5]針對一種星載制冷機的被動隔振系統(tǒng)進行了正弦掃頻、隨機激勵和脈沖激勵試驗，測試了其在發(fā)射和在軌狀態(tài)下的隔振性能；文獻[6-8]進行了基于壓電式材料的自適應(yīng)隔振系統(tǒng)在無人機圖像采集系統(tǒng)等的應(yīng)用研究，對其模式控制器進行了硬件在環(huán)測試.

文中針對兩種不同類型的車載精密儀器設(shè)備，進行了其基本隔振系統(tǒng)優(yōu)化匹配過程及分析評價方法探討，給出了初步的匹配設(shè)計方案.

1 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的初步方案設(shè)置與分析

選取某型激光雷達和多光譜攝像機組作為隔振對象，下文簡稱為設(shè)備1和設(shè)備2.首先定義表示儀器設(shè)備安裝基座的全局坐標(biāo)系O-XYZ和位于儀器設(shè)備質(zhì)心的局部坐標(biāo)系Oi-XiYiZi.考慮到儀器設(shè)備-隔振系統(tǒng)的固有振動頻率一般較低，可忽略設(shè)備的結(jié)構(gòu)彈性，將每個設(shè)備考慮為具有6自由度的剛性體，通過設(shè)備的局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的平動位移與轉(zhuǎn)動角度廣義坐標(biāo)q=[x,y,z,α,β,r]T來定義設(shè)備的位置和運動狀態(tài).相應(yīng)地對設(shè)備的每個隔振器定義其局部坐標(biāo)系Oj-XjYjZj.

1.1 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的布置方案及其固有振動特性分析

為質(zhì)量較小的設(shè)備1設(shè)置了3點懸置的隔振器布置方案，兩個在底部,一個在上部.后者有利于限制俯仰振動；為體積較大的設(shè)備2設(shè)置了4點懸置，分置于四周，因受到空間限制，該隔振系統(tǒng)的彈性中心比設(shè)備質(zhì)心低.

每個設(shè)備的各個隔振器的位置及其三向剛度是隔振系統(tǒng)的設(shè)計變量，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量分布的對稱性，可以將部分隔振器對稱布置，從而減少了設(shè)計變量.以設(shè)備2為例，其隔振系統(tǒng)的初步布置方案如圖1所示，設(shè)隔振器1、2的位置不對稱但同向的剛度相等，隔振器3、4的位置對稱、同向的剛度相等，則隔振系統(tǒng)的獨立設(shè)計變量只有12個(6個位置參數(shù)、6個剛度參數(shù)).

圖1 設(shè)備2初始隔振器布置及位置因素示意

采用正交試驗方法進行隔振系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)的剛體振動模態(tài)頻率帶寬和最高階模態(tài)頻率均極小化.首先對設(shè)備1和設(shè)備2的隔振系統(tǒng)初步布置方案分別進行固有振動特性試算，將其振動模態(tài)頻率帶寬分別壓縮到了6.7 Hz、3.3 Hz，相應(yīng)的設(shè)計變量值即可作為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的初值，在其基礎(chǔ)上進行適當(dāng)?shù)淖儎?，即可進行多因素、多水平的正交試驗優(yōu)化計算分析.設(shè)備2的12個設(shè)計變量的初始值表示為{df,,dLR，hf，hLR，dr，hr，kx,fr，kx,LR，ky,fr，ky,LR,kz,fr,kz,LR} = {160, 160, 190, 90, 160, 190, 18, 12, 12, 11, 15, 13.2},其中:h、d、k分別表示隔振器的高度、水平位置和剛度，單位分別為mm、mm、N/mm，下標(biāo)f、r表示前、后，下標(biāo)L、R表示左、右.將設(shè)計變量(因素)的初值作為中間水平，在此基礎(chǔ)上變動±20%給出另兩個水平，選取了13因素、3水平的正交表L27(313)[9-10]進行試驗優(yōu)化，具體的正交試驗方案見表1.表1的后兩列給出了各個試驗方案的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計算結(jié)果，即系統(tǒng)的最高階模態(tài)頻率fMax和6階剛體振動模態(tài)頻率的帶寬fBand.可見，在第8次試驗中，fMax和fBand均達到了最小值，fBand僅為1.3 Hz，因此，將該試驗方案的參數(shù)配置作為設(shè)備2隔振系統(tǒng)的設(shè)計方案.經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)備1、設(shè)備2的隔振系統(tǒng)模型如圖2所示.

表1 設(shè)備2隔振系統(tǒng)設(shè)計的正交試驗方案表及其試驗結(jié)果(部分)

圖2 優(yōu)化后的設(shè)備1、設(shè)備2隔振系統(tǒng)模型

1.2 儀器設(shè)備隔振系統(tǒng)的振動傳遞特性分析

對設(shè)備1、設(shè)備2隔振系統(tǒng)進行振動傳遞率分析，亦即計算在基礎(chǔ)的垂向(Z)、俯仰(Ry)、側(cè)傾(Rx)振動激勵下設(shè)備的相應(yīng)振動響應(yīng)的幅值比例～頻率特性，結(jié)果見圖3，部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2、表3.

圖3 設(shè)備1、2隔振系統(tǒng)振動傳遞率函數(shù)

以設(shè)備1為例，隔振系統(tǒng)的3個主要振動模態(tài)的頻率在2.7～5.1 Hz之間，該范圍內(nèi)的振動激勵會激起設(shè)備的較大共振響應(yīng)；通過共振區(qū)后，俯仰振動角位移傳遞率在6.7 Hz降低至50%，且繼續(xù)快速衰減，在約8.7 Hz即降低至10%以下，表明對俯仰振動的隔離效果很顯著；垂向振動位移傳遞率特性曲線的衰減速率則較慢，分別在8.8 Hz、17.2 Hz衰減至50%、10%；側(cè)傾振動角位移傳遞率特性曲線的衰減速率介于上兩者之間，分別在6.6 Hz、13.5 Hz衰減至50%、10%.

表2 設(shè)備1隔振系統(tǒng)振動傳遞率函數(shù)特征點統(tǒng)計

表3 設(shè)備2隔振系統(tǒng)振動傳遞率函數(shù)特征點統(tǒng)計

2 整車多體動力學(xué)分析模型建立與驗證

應(yīng)用多體動力學(xué)分析軟件建立了一種輕型越野車的整車多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖4所示，包括前懸架、后懸架、車輪及輪胎、轉(zhuǎn)向系、車身、動力總成、車載儀器設(shè)備等子系統(tǒng)動力學(xué)模型，其中設(shè)備1、設(shè)備2分別安裝在車前端和車頂.整車模型總質(zhì)量為3 070 kg、軸距為3 227 mm.

為檢驗所建立的整車多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，可進行基本的振動響應(yīng)特性分析，即地面脈沖激勵和隨機激勵的振動響應(yīng)特性分析.

圖4 整車多體系統(tǒng)動力學(xué)模型

(1) 地面脈沖激勵的振動響應(yīng)分析

對整車多體動力學(xué)模型進行地面脈沖激勵虛擬試驗，車輛以18、36、54、72 km/h等多種速度通過有半徑100 mm的半圓凸坎的路面.圖5給出了以36 km/h速度駛過凸坎時,車身質(zhì)心垂向振動及俯仰角振動位移響應(yīng)-時間歷程及其頻譜，兩種典型振動響應(yīng)量的衰減規(guī)律和所反映出的整車簧載質(zhì)量剛體的垂向振動、俯仰角振動固有頻率(分別為約1.1 Hz、1.3 Hz)均符合汽車振動特性的一般規(guī)律.

圖5 車體質(zhì)心垂向位移和俯仰角位移響應(yīng)及其頻譜

(2) 地面隨機激勵的振動響應(yīng)分析

對整車多體動力學(xué)模型進行地面隨機激勵虛擬試驗，車輛以18、36、54、72 km/h的速度通過C級和D級標(biāo)準(zhǔn)化隨機路面.由圖6、7所示，車體垂向振動和俯仰角振動響應(yīng)量隨路面粗糙度、車速的變化規(guī)律是合理的；車身垂向振動位移的頻譜的主要部分為反應(yīng)路面宏觀高程激勵的約0.1 Hz的低頻分量和約1.2 Hz的與車體垂向振動固有頻率一致的分量；車身俯仰角振動的主要頻率成分集中在1.3 Hz處，也與其俯仰角振動固有頻率相一致.

圖6 車體垂向振動位移及其頻譜

圖7 車體俯仰振動角位移及其頻譜

3 車載儀器設(shè)備隔振特性分析

為了評價車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)在實車狀態(tài)的隔振效果，應(yīng)對整車振動系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動傳遞率、整車行駛振動激勵下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的振動響應(yīng)特性等進行分析.

(1) 整車振動系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動傳遞率分析

定義以下3種不同的整車模擬振動激勵方式，進行正弦波掃頻激勵：①四車輪同相的垂向振動位移激勵方式，主要激發(fā)整車的垂向振動；②兩前輪同相位、兩后輪也同相位、但前輪與后輪反相位的垂向振動位移激勵方式，主要激發(fā)整車的俯仰角振動；③兩組同側(cè)車輪均同相位、但左側(cè)與右側(cè)車輪反相位的垂向振動位移激勵方式，主要激發(fā)整車的側(cè)傾角振動.

整車振動系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動傳遞率計算結(jié)果示例如圖8所示.設(shè)備1的3種振動傳遞率函數(shù)特性表明，采用隔振系統(tǒng)后,其垂向振動位移傳遞率在約10 Hz,即降低至10%(而無隔振系統(tǒng)時，直到16.5 Hz才降低至10%)，同時，在10 Hz之后，振動傳遞率衰減速率更大，其隔振效率的優(yōu)勢在高頻段更加明顯.

設(shè)備2的3種振動傳遞率函數(shù)特性表明，采用隔振系統(tǒng)后,其主要振動傳遞率在約9 Hz就全面小于無隔振系統(tǒng)的振動傳遞率,其中，垂向振動傳遞率在7.6 Hz就降低至10%，而無隔振系統(tǒng)時，直到17 Hz才降低至10%.因此，設(shè)備2的隔振系統(tǒng)對高頻振動的衰減很顯著，從而對其內(nèi)部精密元件的壽命和光學(xué)元件的工作性能的改善都可起到重要的作用.

圖8 設(shè)備1質(zhì)心垂向振動傳遞率特性比較

(2)整車行駛振動激勵下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的振動響應(yīng)特性分析

汽車的主要高頻振動激勵源有發(fā)動機、傳動系和底盤系統(tǒng)等，或當(dāng)汽車行駛于特殊的不平路面時.為簡化計算過程，現(xiàn)設(shè)汽車分別以8 m/s、12 m/s、16 m/s、20 m/s的速度在波長為1 m、幅值為25 mm的試驗路面行駛，典型的振動響應(yīng)結(jié)果如圖9所示.在不同車速下有、無隔振系統(tǒng)時設(shè)備1的垂向振動和設(shè)備2的俯仰角振動響應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果見表4、表5.

表4 不同車速下設(shè)備1有、無隔振系統(tǒng)時的垂向振動響應(yīng)峰-峰值統(tǒng)計

表5 不同車速下設(shè)備2有、無隔振系統(tǒng)時的俯仰角振動響應(yīng)峰-峰值統(tǒng)計

這些振動響應(yīng)統(tǒng)計分析結(jié)果表明，車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)的減振特性符合前文所示的設(shè)備1、2振動傳遞率特性，尤其垂向振動響應(yīng)從8 Hz開始即有明顯的衰減，在20 Hz時,已衰減至約10%；對于設(shè)備2的俯仰角振動響應(yīng)，開始衰減的頻率下限略高些，但在20 Hz時,已衰減至約5%；對于設(shè)備1的俯仰角振動響應(yīng)的衰減效應(yīng)則直到16-20 Hz之間,才開始出現(xiàn).

圖9 以8 m/s速度通過試驗路面時設(shè)備2的垂向振動、俯仰振動角位移響應(yīng)

4 結(jié) 論

隔振緩沖系統(tǒng)匹配設(shè)計是車載儀器設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中的重要技術(shù).對某型激光雷達(設(shè)備1)和多光譜攝像機組(設(shè)備2)進行了隔振系統(tǒng)匹配及其固有振動特性的正交試驗優(yōu)化，取得優(yōu)良的結(jié)果，如設(shè)備2隔振系統(tǒng)的最高階模態(tài)頻率和6階剛體振動模態(tài)頻率的帶寬分別極小化為5.5 Hz、1.3 Hz，從而可使其具有良好的振動傳遞率特性.

基于一種輕型越野車的整車多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，進行了整車振動系統(tǒng)中車載儀器設(shè)備的總振動傳遞率計算分析，設(shè)備1、設(shè)備2的隔振系統(tǒng)的垂向振動位移傳遞率分別在約10 Hz、7.6 Hz即降低至10%；同時,進行了整車行駛振動激勵下車載儀器設(shè)備在隔振頻率區(qū)的總體振動響應(yīng)特性計算分析，進一步量化評價了車載儀器設(shè)備的隔振系統(tǒng)在實車狀態(tài)的隔振效果.

文中關(guān)于車載儀器設(shè)備的基本隔振系統(tǒng)優(yōu)化匹配極其隔振特性分析評價的方法與流程具有普遍的適用性.