WC12REP皮卡車行駛平順性優化設計

王登化，鄒美群，趙斌

前言

WC12REP防爆柴油機無軌膠輪皮卡車是一種以防爆柴油機為動力、液力機械傳動、后輪驅動的煤礦井下無軌式運輸人車，主要用于巷道斷面不小于4m×3m、坡度不大于25%的有瓦斯煤礦井下運輸作業。該車具有結構緊湊、轉彎半徑小、爬坡能力強及運輸效率高等優點。但此車目前存在一致命弱點，其行駛平順性很差，嚴重影響了該車在煤礦上的聲譽及銷量，為此，公司出資研發提升WC12REP皮卡車行駛平順性的項目，并成功地開發出一套效果顯著的液壓互聯懸架系統，使乘車舒適性提高 30%左右，經濟性亦很好，其研發過程及方法如下。

1、原車的參數測定

在礦車四個車輪處分簧上簧下布置總計8個PCB 356A16三向加速度傳感器，將傳感器通過磁力座吸附在相應橫梁上。將車輛多個車輪置于木塊上，將車輛推下木塊并用筆記本電腦采集好數據，完成跌落實驗。準備過程如圖1所示。

分別墊高車輛的左側兩車輪、右側兩車輪、兩前輪、兩后輪以及同時墊高四輪進行跌落，對應的可以激起向左側傾、向右側傾、向前俯仰、向后俯仰以及四輪垂直跳動多種模態，每種實驗重復3到4組；再以65kg沙袋代替人的重量，進行滿載跌落，重復之前空載時跌落試驗的步驟；通過在每個車輪上綁上一定質量的重物以達到增加簧下質量的目的，再重復之前空載時跌落試驗的步驟。

2、仿真優化以及相匹配液壓互聯懸架系統的設計和制造

通過跌落試驗，獲得整車振動響應曲線，將這些數據通過特定方法處理即可識別出整車系統參數如簧上質量、等效彈簧剛度等。利用系統參數建立準確的整車七自由度振動模型。

在模型中給予各種不同的激勵仿真，可以進一步對模型進行優化，補足缺少的阻尼，設計液壓回路使其提供一部分所需的垂向剛度。根據優化結果可以減少一定的鋼板彈簧剛度，設計與之匹配的液壓互聯懸架系統和阻尼器。設計出圖紙后即可加工油缸和阻尼器，在車輛底盤上測量方便安裝的位置，根據結果設計加工安裝支座并訂購油管、蓄能器和相關閥門等。將整個回路連接好，排除油路中的空氣后安裝到車輛上，整個液壓互聯懸架系統見圖2。

3、試驗數據的處理及對比

3.1 改裝后的整車參數測定

將剛度優化后的鋼板彈簧、阻尼器和HIS系統在該車上安裝好，調試整個測試系統，將系統的工作壓力調到相對合適值，完成礦車的改裝。按測定原車參數時的方法重復之前的跌落實驗并采集數據，繼而分析整車系統參數上是否達到預期要求。

3.2 試驗數據的處理及對比

分別將原車和改裝后車輛進行跌落實驗，將所得信號進行快速傅里葉變換并截斷，可得到頻域響應曲線；為了明確各個部件的安裝對整車所帶來的影響，在完成改裝后車輛跌落試驗后，拆掉懸架系統中的阻尼器進行一次跌落試驗，再拆掉懸架系統中的油缸進行一次跌落試驗，得到數據后進行快速傅里葉變換并截斷，兩車加速度幅值對比如表1所示。

表1 跌落試驗中兩車加速度幅值對比

4、路試

按照 GB/T4970-2009《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》規定，分別在車輛座椅、質心以及車輛后廂左、右座椅處固定4個加速度傳感器。選擇一段較長的路段以不同速度勻速行駛，給予隨機路面輸入，試驗人員在車上采集固定路段的加速度數據。分別在出廠原車和改裝車的相同位置安置加速度傳感器，在同一路段進行多組不同車速、不同液壓回路壓力的試驗，同時可以調整合適的液壓壓力。將路試收集到的時域信號做快速傅里葉變換，可以得到頻域信號，以駕駛席座椅處和質心處為例。得到頻域信號后即可計算加速度均方根值，根據國標 GB/T4970-2009《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》規定，加權加速度均方根值可以通過頻譜分析法計算，按式1計算。

式1中：Ga(f)為功率譜密度函數，w (f)為頻率加權函數式2為座椅垂向頻率加權函數：

式3為座椅縱向、橫向頻率加權函數：

座椅墊上方的總加權速度均方根值按式4計算，計算后得到的數據如表3所示。

表2 加權加速度均方根值與人的主觀感受之間的關系（出自GB/T4970-2009）

表3 路試中兩車各個測點的加速度均方根值

從表3可以看到，液壓互聯懸架系統的加裝對WC12REP皮卡車舒適性有著顯著的改善。

5、總結

從出廠原車和加裝液壓互聯懸架系統礦車的對比試驗數據中我們可以得出以下結論：

（1）在改裝之前，跌落試驗的結果表明整車的剛度過大導致整車的垂向剛度過大，繼而產生空載甚至部分裝載情況下，車輛駛過路面時響應加速度過大，乘坐人員感覺不適。為減小這種使乘坐人員感到不適的加速度響應，我們需要把整車垂向剛度降低。

（2）經過建模仿真優化后，將板簧剛度減小，為了保證其載重能力和綜合性能，加裝一套匹配的液壓互聯懸架系統和阻尼器。

（3）跌落試驗顯示同高度的整車跌落，改裝后車輛相對原車簧上質量各處加速度最大值減小 60%以上，效果顯著。而參照國標給出的車輛行駛平順性評價標準，以加速度均方根值作為考察依據，在隨機路面輸入的情況下，改裝后的車輛相比出廠原車加速度均方根值減小約30%，效果依然顯著。同時，分別乘坐原車和改裝后車輛，主觀感受也感覺到優化效果明顯。

（4）從參數識別的結果來看，完成改裝后整車的垂向剛度相比原車反而變大，理論上來說，進一步減小剛度可以達到更好的增加舒適性效果。

[1] 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2] 余志生.汽車理論(第4版)[M].北京: 機械工業出版社,2006.

[3] 汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法［S］.中華人民共和國國家標準GB/T4970-2009.

[4] 王延克,丁渭平，杜飛龍，何森東等.基于響應面法的懸架結構改進及優化設計［J］.機械科學與技術,2009,28(1):10-14.

[5] 王望予.汽車設計(第4版)[M].北京: 機械工業出版社,2004.