慣容與阻尼串聯式ISD懸架實車道路試驗*

張孝良，張華新，蔣 濤

(江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013)

2016219

慣容與阻尼串聯式ISD懸架實車道路試驗*

張孝良，張華新，蔣 濤

(江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013)

針對5元件ISD懸架元件多、結構復雜、布置困難等問題，設計了一種3元件ISD懸架，研制了其慣容與阻尼串聯式液力慣容器裝置，并將該裝置安裝于某型軍用越野車的前、后懸架上。偏頻試驗結果表明，與傳統懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻分別降低了23.3%和12.5%，且相應偏頻處的功率譜密度峰值分別減小了45%和50%。平順性試驗結果表明，ISD懸架能有效抑制車身的垂向、俯仰與側傾振動，明顯提高了汽車的行駛平順性。3元件ISD懸架元件少、結構簡單、易于實現，為ISD懸架的產業化奠定了技術基礎。

ISD懸架；慣容器；道路試驗；行駛平順性

前言

傳統被動懸架主要由彈性元件和阻尼元件組成，進一步提高其性能的潛力已經接近極限[1-3]。慣容器(inerter)的出現，“慣容-彈簧-阻尼”(inerter-spring-damper, ISD)懸架新結構體系的提出，打破了基于經典隔振理論的“彈簧-阻尼”結構體系對懸架性能進一步提高的制約瓶頸，為懸架新技術發展提供了一個嶄新的平臺，ISD懸架已經成為了被動懸架技術發展的新方向[4-9]。

文獻[10]中提出了一種3元件ISD懸架，它由慣容器與阻尼元件串聯再與主彈簧并聯組成，基于整車模型的理論研究表明，這種懸架能夠有效改善汽車的乘坐舒適性。文獻[11]中建立了該型懸架的火車模型，仿真結果表明，它能夠改善火車的乘坐舒適性，提高火車的系統動態性和穩定性。文獻[12]中基于ISD懸架結構體系，提出了一種理想天棚阻尼的被動實現方法，設計了被動天棚阻尼懸架系統，以被動的形式實現了理想天棚阻尼的主要功能，達到了抑制車身共振的目的，提高了汽車的乘坐舒適性。文獻[13]中基于Routh穩定判據，采用Pade逼近法可將5元件的被動天棚阻尼懸架降階為上述的3元件ISD懸架，這表明，3元件ISD懸架也能實現天棚阻尼的主要功能。綜上所述，可以看出，3元件ISD懸架不僅能通過抑制車身共振提高汽車的乘坐舒適性，而且所需元件數少、結構簡單、易于實現。但迄今為止，對該懸架的研究還僅限于理論和仿真階段。

本文中按照文獻[13]中提出的被動天棚阻尼懸架降階與優化方法，設計了3元件ISD懸架系統，研制一種集慣容和阻尼于一體的液力慣容器裝置，并將該裝置安裝于某型軍用越野車前、后懸架，對實車進行偏頻和平順性道路試驗，進一步驗證降階優化方法及3元件ISD懸架的有效性與可行性。

1 懸架樣機

降階后的ISD懸架由慣容器與阻尼串聯后再與彈簧并聯組成[13]，因此，懸架樣機采用原車彈簧，其中前懸架為扭桿彈簧，后懸架為鋼板彈簧，并研制慣容器與減振器一體式液力慣容器裝置，替換原車減振器。該液力慣容器裝置由單筒減振器、金屬螺旋管和氮氣罐依次串聯組成，如圖1所示。圖中1～4構成單筒減振器，活塞2驅動油液在金屬螺旋管5中高速旋轉時，各圈緊并的金屬管中的油液相當于一個空心圓柱液體飛輪，能夠產生較大的慣性，形成慣容器。單筒減振器與金屬螺旋管串聯實現了慣容與阻尼的串聯關系。外置氮氣罐6主要用來驅動油液回流，同時補償因活塞桿4進出和油溫變化引起的油液體積的變化。

圖1 液力慣容器原理圖

圖2 液力慣容器實物圖

液力慣容器實物如圖2所示。它安裝在某型軍用越野車的前、后懸處，其中，前懸為獨立懸架，后懸為非獨立懸架。前懸液力慣容器的螺旋管內徑為6mm，螺旋直徑為180mm，螺距為8mm，螺旋管圈數為16圈，減振器缸筒內直徑為46.4mm，油液密度為1 000kg·m-3。后懸液力慣容器的螺旋管圈數為20圈，其余各參數與前懸慣容器相同。實車布置如圖3所示。

圖3 ISD懸架樣機

2 整車試驗系統

試驗車的主要參數為：整備質量2 850kg，滿載質量4 450kg，軸距2 800mm，輪距1 670mm，輪胎型號與尺寸255/85 R16，輪胎充氣壓力350kPa。試驗系統的主要儀器設備包括：比利時LMS公司的SCADAS數據采集系統；德國DEUTA-WERKE公司的測速儀；美國PCB公司的33B30型加速度傳感器；德國米銥公司的WDS-500MP(W)位移傳感器；美國Crossbow公司的VG400 CC-200陀螺儀等。

測速儀固定于距離地面50mm的車門處，測量汽車行駛速度。陀螺儀安裝于車身質心處，用于采集車身俯仰、側傾和橫擺角速度以及側傾角和側向加速度等信號。同時布置7個加速度傳感器和2個位移傳感器，分別用于采集駕駛員座椅垂直加速度、車廂地板中心垂直加速度、質心垂直加速度、以及左前與左后車身垂直加速度信號、左前與左后車軸垂直加速度信號和左前懸架與左后懸架動行程等信號。采用LMS高速數據采集系統，配合LMS Express軟件，實時采集試驗數據，將各路信號記錄并保存到計算機上進行處理，試驗系統的構成如圖4所示。

圖4 整車試驗系統構成圖

3 試驗結果與性能分析

3.1 車身偏頻試驗

試驗采用拋下法測定ISD懸架的偏頻。試驗前保證試驗車前、后車輪處于MTS320輪胎耦合道路模擬機的4個激振臺中心，設置激振臺高度至平衡位置，然后控制激振臺突然卸掉載荷并下行至-60mm的位置，將汽車拋下，使之自由振動。

采用頻率分析法，將時域響應數據轉化為系統的頻域響應數據，繪制懸架頻域響應試驗曲線如圖5所示。

圖5 車身偏頻試驗

由圖5可知，傳統被動懸架前、后車身偏頻分別為2.15和2Hz；ISD懸架前、后車身偏頻分別為1.65和1.75Hz。與傳統被動懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻分別下降了23.3%和12.5%，且相應偏頻處的功率譜密度峰值分別減小了45%和50%?？梢姡琁SD懸架有利于降低車身偏頻，改善汽車的低頻響應特性，提高汽車的隔振性能。

3.2 脈沖輸入行駛試驗

參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》的試驗規定，對試驗車進行脈沖輸入行駛試驗，測量試驗車的最大垂直加速度，分析人體和試驗車受到的極限沖擊情況，車速分別為10，20，30，40，50和60km/h。圖6給出了以40km/h車速進行脈沖試驗時系統時域響應試驗結果。

圖6 脈沖輸入試驗結果(v=40km·h-1)

為了比較脈沖輸入下ISD懸架和傳統懸架的性能，采用各次試驗最大(絕對值)加速度響應均值作為評價指標：

計算得到各車速下駕駛員座椅和車廂地板中心兩處的Z向最大加速度均值如圖7所示。

圖7 脈沖響應試驗結果對比圖

由圖7可見，與傳統被動懸架相比，ISD懸架在車速為10，20，30，40，50和60km/h時，駕駛員座椅處Z向最大加速度響應值分別減小了19.7%，5.1%，9.4%，16.8%，19.0%和2.4%；車廂地板中心處Z向最大加速度響應值分別減小了1.1%，26.7%，37.3%，35.4%，14.1%和16.3%?？梢?，ISD懸架不僅有效抑制了駕駛員座椅處的振動，還能夠抑制車廂的跳動，改善了汽車行駛平順性。

3.3 道路試驗

參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》的試驗規定，試驗車輛分別以30，40，50和60km/h的車速在C級路面上進行隨機輸入行駛試驗。試驗結果見表3。

由表3可知，與傳統被動懸架相比，ISD懸架在車速為30，40，50和60km/h下，表中所列各響應值皆有不同程度的降低，最大降幅達26.9%。說明在懸架動行程沒有明顯惡化的前提下，ISD懸架系統有效抑制了車身的垂向、俯仰與側傾振動，明顯改善了汽車行駛平順性；而且，由于車軸加速度的大小能間接反映車輛輪胎動載荷大小[14]，上述試驗結果還表明，ISD懸架能夠降低輪胎動載荷的大小，提高輪胎的接地性能。

3.4 蛇行試驗

參照標準GB/T 6363—2014《汽車操縱穩定性試驗方法》的規定，試驗車輛以50km/h的穩定車速蛇行通過標樁間距為30m的試驗路段。選取車身橫擺角速度、車身側傾角和車身側向加速度為試驗測取量，試驗結果見表4。

由表4可知，ISD懸架可以小幅降低汽車轉向時的車身橫擺角速度、側傾角和側向加速度，在改善汽車行駛平順性的同時，兼顧了操縱穩定性。

4 結論

(1) 在偏頻試驗中，與傳統被動懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻均有所降低，其中，前車身偏頻從2.15Hz降到了1.65Hz，后車身偏頻從2Hz降到了1.75Hz，前、后車身偏頻分別降低了23.3%和12.5%，且相應偏頻處的功率譜密度峰值分別減少了45%和50%，表明ISD懸架改善了汽車的低頻響應特性，提高了汽車的隔振性能。

(2) 脈沖試驗和隨機路面試驗表明，在懸架動行程沒有明顯惡化的前提下，ISD懸架有效抑制了車身與車軸的垂向振動和車身的俯仰與側傾振動，提高了汽車的行駛平順性。蛇行試驗表明，ISD懸架在改善汽車行駛平順性的同時，兼顧了操縱穩定性。

表3 隨機輸入行駛試驗響應均方根值

表4 蛇行試驗結果

(3) 偏頻與平順性試驗表明，研制的慣容器與減振器一體式液力慣容器裝置是有效的、可行的。

[1] 萬鋼,秦明,吳憲.轎車懸架技術現狀及發展趨勢[J].上海汽車,2004(7):26-29.

[2] Iyad Talal Al-zahrna. Performance evaluation and multiobjective optimization of passive vehicle suspension systems[D]. Dhahran, Saudi Arabia: KingFahd University of Petroleum and Minerals,1993.

[3] VENHOVENS P J. The development and implementation of adaptive semi-active suspension control[J]. Vehile Systems Dymamics,1994,23:211-235.

[4] JIANG Z, MATAMOROS-SANCHEZ A Z, ZOLOTAS A, et al. Passive suspensions for ride quality improvement of two-axle railway vehicles[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit,2014,228(3):225-241.

[5] ZHANG Xinjie, AHMADIAN M, GUO Konghui. A comparison of a semi-active inerter and a semi-active suspension[C]. SAE Paper 2010-01-1903.

[6] HU Y L, CHEN M Z Q, SHU Z. Passive vehicle suspensions employing inerters with multiple performance requirements[J]. Journal of Sound and Vibration,2014,333(8):2212-2225.

[7] 譚德昕,劉獻棟,單穎春.慣容器在車輛減振系統中的應用研究綜述[J].汽車工程學報,2011,1(4):342-347.

[8] SCHEIBE F, SMITH M C. Analytical solutions for optimal ride comfort and tyre grip for passive vehicle suspensions[J]. Vehicle System Dynamics,2009,47(10):1229-1252.

[9] SOONG M F, RAMLI R, MAHADI W N L W. Ride evaluation of vehicle suspension smploying non-linear inerter[J]. Applied Mechanics and Materials,2013,471(9):9-13.

[10] SMITH M C. Performance benefits in passive vehicle suspensions employing inerters[J]. Vehicle System Dynamics,2004,42(4):235-257.

[11] WANG Fucheng, LIAO Minkai, LIAO Bohuai, et al. The performance improvements of train suspension systems with mechanical networks employing inerters[J]. Vehicle System Dynamics,2009,47(7):805-830.

[12] 張孝良.理想天棚阻尼的被動實現及其在車輛懸架中的應用[D].鎮江:江蘇大學,2012.

[13] 蔣濤,陳龍,張孝良.被動天棚阻尼懸架降階與優化[J].汽車工程學報,2015,5(3):187-192.

[14] 劉大維,陳靜,霍煒,等.車輛對路面作用隨機動載荷的試驗[J].農業機械學報,2005,36(7):12-14,19.

Vehicle Road Test of ISD Suspension with Inerter and Damper Connected in Series

Zhang Xiaoliang, Zhang Huaxin & Jiang Tao

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In view of the large number of elements, the complexity of structure and the difficulty in layout of five-element inerter-spring-damper (ISD) suspension, a three-element ISD suspension is designed, and its hydraulic inerter device with inerter and damper connected in series is developed, which is then installed in the front and rear suspensions of a military off-road vehicle. The results of natural frequency test show that compared with traditional suspension, the ride frequencies of front and rear ISD suspensions are 23.3% and 12.5% lower respectively, and the corresponding PSD peaks are 45% and 50% smaller respectively. The results of ride comfort test indicate that ISD suspension can effectively suppress the vertical, pitch and roll vibrations of vehicle body, and thus improves the ride comfort of vehicle. The three-element ISD suspension has fewer components with simple structure and is easy to implemented, laying a technical foundation for the industrialization of ISD suspensions.

ISD suspension; inerter; road test; ride comfort

*國家自然科學基金(51405202)、江蘇省科技支撐計劃(BE2013096)、江蘇省自然科學基金(BK20130521)、中國博士后科學基金(2015M570408)和江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-JNHB-001)資助。

原稿收到日期為2015年9月11日，修改稿收到日期為2015年12月14日。