自卸車駕駛室懸置系統試驗與優化*

楊輝張瑞亮王鐵陳峙陳澔利劉寶乾

（1.太原理工大學；2.大運汽車制造有限公司）

自卸車駕駛室懸置系統試驗與優化*

楊輝1張瑞亮1王鐵1陳峙1陳澔利2劉寶乾2

（1.太原理工大學；2.大運汽車制造有限公司）

對某自卸車進行道路試驗，采集不同速度及路況下的振動信號并進行分析，建立了駕駛室懸置系統多體動力學仿真模型。針對3種典型工況，以前、后懸置彈簧剛度與減振器阻尼為因子,運用ADAMS優化模塊對駕駛室懸置參數進行優化，得出3組適合該車型的參數匹配值，并在此基礎上應用正交試驗技術對這3組值進行再優化，最終確定1組適合3種典型工況的駕駛室懸置最佳匹配值。

1 前言

國內、外企業與高等院校對駕駛室振動舒適性的研究主要集中在通過分析駕駛室振動信號的頻率成分、峰值變化規律判斷引起劇烈振動的主要部件[1，2]，通過應用多體動力學技術與試驗設計技術仿真優化得出駕駛室懸置剛度和阻尼的最佳匹配值來提高乘坐舒適性[3～5]等方面。

本文針對某公司研制的自卸車，應用多體動力學分析方法建立駕駛室懸置模型，并通過平順性試驗驗證模型可信性，在此基礎上優化得出3組針對不同工況的剛度、阻尼參數，并進一步優化得出1組最佳參數匹配值，為懸置改進提供方法與建議。

2 懸置結構分析

本文研究的駕駛室懸置結構如圖1所示。前懸置如圖1a所示，由彈簧減振器、中支架、下支架、橫向穩定桿等組成；懸置左右對稱，中間通過1根橫向穩定桿與左右中支架焊接。后懸置如圖1b所示，由上支架、中支架、下支架、彈簧減振器、連接桿等組成，其中，彈簧減振器與下支架成一定角度。

3 平順性試驗與分析

結合自卸車常用工況并參照相關國家標準，采集扭曲路面低速行駛、碎石路面中速行駛、平坦路面高速行駛工況下的駕駛室地板與懸置機構下點加速度振動信號并進行分析。

3.1 試驗過程

a.滿載情況下測試

樣車裝載規定量的石塊，布置并連接左前、左后懸置下點傳感器以及駕駛室地板傳感器。測試中，要求在扭曲路段車速保持在5～10 km/h，碎石路段車速保持在20～30 km/h，平坦路段車速保持在40～50 km/h。測試3圈結束后，查看信號，確保信號無異常波段后結束。

b.空載情況下測試

卸掉石塊，調試好設備后再次進行樣車測試，測試路段和測試車速與滿載情況相同。

3.2 數據處理

參照GB/T 4970-2009汽車平順性試驗方法，采用MATLAB對駕駛室地板的加速度信號進行加權加速度均方根值與加權振級計算，結果如表1所示。通過對3種工況下的數值對比可以發現，除滿載扭曲路段低速行駛的駕駛室內部主觀感受沒有不舒適外，剩下的路況與車速下駕駛室內部主觀感受均處于不舒適區間；相同測試條件下，空載駕駛室主觀感受舒適性均比滿載差；3種工況下碎石路面中速行駛時的舒適性最差。通過與同類車型比較可知，該款自卸車的駕駛室舒適性較差。

表1 駕駛室地板處加速度加權均方根值對比

4 仿真與試驗驗證

4.1 懸置模型建立

采用ADAMS交互式建模，首先在CATIA軟件中建立駕駛室與懸置系統模型，然后導入到ADAMS/ VIEW模塊中，對于駕駛室質量、懸置剛度、阻尼等參數根據生產廠商提供的數據分別輸入。對各個部件施加約束，其中，駕駛室作為剛體考慮，橫向穩定桿利用FLEX柔性體模塊離散化成8根梁，梁與梁之間由6分力連接，懸置系統中的鉸接部件分別采用球副、萬向節副等連接，懸置下方采用激振塊代替車架。駕駛室懸置多剛體動力學仿真模型如圖2所示。模型建立后通過靜力校驗與自由度驗證，確保了模型的靜力平衡。

4.2 懸置試驗驗證

以空載時3種工況下采集的加速度信號為仿真模型振動輸入，將時域信號轉換成頻域下的加速度功率譜密度曲線PSD導入ADAMS。由于懸置只對機構上、下連接處的垂向振動有較大影響[6]，因此仿真試驗主要針對垂向進行分析。

在ADAMS仿真模型中以懸置系統的4個激振塊代替車架作為信號的輸入點，以駕駛室駕駛員座椅下方地板處為輸出點，應用ADAMS/Vibration模塊進行仿真分析，其中振動計算初始頻率與終止頻率分別設置為0.1 Hz和60 Hz，仿真步數設置600步，繪出仿真輸出曲線與試驗曲線對比如圖3所示，由于15 Hz以后的振動曲線幅值不大，因此曲線圖截止到15 Hz。

從圖3中對比可得，試驗曲線與仿真曲線在曲線振型與對應頻率上比較接近，兩曲線最大峰值對應的幅值如表2所示，誤差保持在21%以內，說明模型具有一定可信性，可以用來進行樣車的動態特性仿真優化。

表2 試驗與仿真PSD對比

5 模型參數優化設計

5.1 典型工況分別優化

從圖3可以得出，3種工況下的駕駛室地板垂向PSD曲線波峰幅值都較大，為了降低駕駛室地板垂向最大波峰的幅值，運用ADAMS優化模塊分別進行3種工況下的駕駛室懸置參數優化設計。以駕駛室地板波峰最大幅值的最小化為優化目標，其中初始與終止計算頻率設置為0.1 Hz和20 Hz，仿真步數設置200步，以駕駛室前、后懸置點的剛度與阻尼共4個設計變量為試驗因子，建立試驗因子的約束條件，其中彈簧剛度水平選取范圍為30～90 N/mm，減振器阻尼水平選取范圍為3～9 N·s/mm。

優化后的駕駛室地板垂向PSD曲線如圖4所示，可知3種不同工況下優化后的目標值分別下降了36.7%、31.2%、32.6%，具體優化目標值以及對應的剛度、阻尼值如表3所示。

5.2 DOE方法整體優化

通常自卸車的行駛路況是由扭曲、碎石及平坦路面等互相疊加組成，因此需要對上述3組優化值進行整合，得到1組適用于3種典型工況的最佳優化值。

應用試驗設計技術DOE進行再次優化，以駕駛室地板垂向最大幅值的最小化為優化目標，以前述得到的3組剛度、阻尼優化值為試驗因子，組成4個因子、3個水平、9次試驗的L9（34）正交表進行優化，優化迭代曲線如圖5所示，優化后的最佳剛度、阻尼值如表4所示。

表3 優化結果

表4 再次優化后的剛度阻尼值

對比優化前、后空載與滿載時3種路況疊加下的駕駛室地板垂向PSD曲線如圖6所示，曲線幅值有明顯下降，其中空載工況最大幅值下降37.1%，滿載工況最大幅值下降22.9%。

6 結束語

采用ADAMS優化模塊，以駕駛室地板垂向波峰幅值最小化為優化目標，以4個懸置的剛度、阻尼為設計變量，得到1組適合不同工況的最佳匹配值。從優化結果可以看出，駕駛室地板垂向最大振幅有明顯降低。

從優化前、后的地板PSD曲線可以得出，調整懸置剛度、阻尼參數雖不能徹底消除駕駛室地板振動的波峰，但能夠很好地削弱波峰振幅，為下一步的改進設計提供了參考依據。

1 劉建婭，李舜酩，張袁元，安木金.某型卡車駕駛室橫向擺動的分析研究.機械科學與技術，2011，30（4）：579～581.

2 孫加平，張袁元，李舜酩，劉建婭.某重型卡車駕駛室振動測試與診斷.機械設計與制造，2010，9：213～215.

3 陳靜，曹曉琳，王登峰，張斌，李玉生.重型商用車駕駛室空氣懸置系統的匹配優化.吉林大學學報，2009，39（5）：1125～1129.

4 王楷炎.商用車駕駛室懸置系統動力學仿真、優化與試驗研究：[學位論文].長春：吉林大學，2008.

5 P.Lemerle,P.Boulanger,R.Poirot.A simplified method to design suspended cabs for counterbalance trucks.Journal of Sound and Vibration.2002.253（1）:283～293.

6 張蘭，曾佳.紅巖金剛車全浮式駕駛室懸置設計分析.北京汽車，2010（5）：12～16.

7 王鐵，高昱，申晉憲.水罐消防車操縱穩定性與平順性的仿真優化.汽車工程，2012，34（12）：1114～1118.

8 彭朝暉.重型自卸車平順性仿真分析及優化：[學位論文].太原：太原理工大學，2013.

9 劉道東，王鐵，高昱，李海林.汽車整車性能評價方法的研究.機械科學與技術，2012，31（3）：379～383.

10 彭朝暉，王鐵，申晉憲，李直，王景新.基于ADAMS的礦用自卸車建模與平順性仿真.礦山機械，2013，41（3）：44～47.

11 申可生.商用車駕駛室空氣懸置系統仿真分析與優化匹配：[學位論文].長春：吉林大學，2011.

12 李海林，王鐵，申晉憲，劉珍.被動空氣懸架導向機構仿真與優化.機械傳動，2012，6（2）：50～52.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年12月1日。

Test and Optimization of Dump Truck Cab Suspension System

Yang Hui1,Zhang Ruiliang1,Wang Tie1,Chen Zhi1,Chen Haoli2,Liu Baoqian2
（1.Taiyuan University of Technology；2.Shanxi Dayun Automobile Manufacture Co.Ltd）

In this research,road test is conducted for a dump truck and the vibration signals under different speed and road conditions are acquired and analyzed,and a multi-body dynamics simulation model is established for the cab suspension in ADAMS.For the three typical conditions,ADAMS optimization module is applied for parameters optimization of the cab suspension system with stiffness of the front and rear suspension spring and the damping as test factors,to obtain three groups of parameter matching values suitable for this model.And on this basis,orthogonal test technology is used for re-optimization of these three groups of values.Finally the paper determines a group of optimal matching values suitable for three different conditions of the truck.

Dump truck,Cab suspension,NVH,ADAMS,Optimization

自卸車 駕駛室懸置系統 NVH ADAMS 優化

U463.81

A

1000-3703（2015）02-0004-04

山西省自然科學基金項目資助，項目名稱：基于用戶使用條件的典型工況重型自卸車燃油經濟性分析（2012011024-2）。