商用車駕駛室全浮懸置系統(tǒng)正向開發(fā)流程研究

黃德惠，李 勝，李 棟，張 凱，向建東，王 鋒

(一汽解放青島汽車有限公司, 青島 266043)

2016192

商用車駕駛室全浮懸置系統(tǒng)正向開發(fā)流程研究

黃德惠，李 勝，李 棟，張 凱，向建東，王 鋒

(一汽解放青島汽車有限公司, 青島 266043)

基于動(dòng)力學(xué)和有限元的方法，研究駕駛室全浮懸置系統(tǒng)正向開發(fā)流程。一方面，建立動(dòng)力學(xué)模型，采用參數(shù)辨識(shí)的方法，設(shè)計(jì)性能參數(shù)；另一方面，利用中心點(diǎn)位移輸入法，擬合可靠性試驗(yàn)場路譜，作為動(dòng)力學(xué)模型輸入，計(jì)算載荷譜，分析懸置支架的可靠性。臺(tái)架掃頻的模態(tài)測試和道路試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)力學(xué)模型是準(zhǔn)確的，開發(fā)流程是可行的。按照這套流程開發(fā)的懸置系統(tǒng)，既滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，又提高了設(shè)計(jì)效率和降低了開發(fā)費(fèi)用。

商用車駕駛室；全浮式懸置；參數(shù)辨識(shí)；中心點(diǎn)位移；模態(tài)測試

前言

駕駛室懸置系統(tǒng)是商用車多級(jí)隔振系統(tǒng)之一，其性能好壞直接影響整車的NVH性能。商用車駕駛室懸置系統(tǒng)主要分為固定、半浮和全浮3種結(jié)構(gòu)。早在2001年，文獻(xiàn)[1]中提出一種4點(diǎn)空氣氣囊全浮駕駛室懸置系統(tǒng)，而如今，中重型商用車大部分配置全浮駕駛室懸置系統(tǒng)。因此研究一套開發(fā)流程來指導(dǎo)設(shè)計(jì)全浮駕駛室懸置，具有重要的意義。

目前關(guān)于全浮駕駛室懸置系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)較多，文獻(xiàn)[2]中主要在現(xiàn)有車型結(jié)構(gòu)上，提出了參數(shù)控制和DMU校核，并引入碰撞模擬分析技術(shù)，減少后期改進(jìn)工作，縮短了開發(fā)周期。文獻(xiàn)[3]中簡單介紹了懸置的開發(fā)流程，而更多是利用ADAMS，研究駕駛室的剛、柔不同模型區(qū)別。文獻(xiàn)[4]中研究了關(guān)于駕駛室懸置系統(tǒng)臺(tái)架可靠性驗(yàn)證技術(shù)。還有一些研究是采用不同方法對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)隔振性能優(yōu)化[5-6]。

綜上所述，現(xiàn)在的研究主要側(cè)重于駕駛室懸置系統(tǒng)性能仿真研究。本文中的研究側(cè)重于駕駛室懸置系統(tǒng)正向開發(fā)流程，指導(dǎo)懸置系統(tǒng)開發(fā)全程性能設(shè)計(jì)，使其在滿足振動(dòng)舒適性和疲勞可靠性要求的同時(shí)，縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用。

1 懸置開發(fā)流程

駕駛室全浮懸置系統(tǒng)是商用車獨(dú)有的特征，其功能包括承載、減振、降噪、導(dǎo)向和舉升等。傳統(tǒng)的駕駛室全浮懸置系統(tǒng)開發(fā)，主要借助經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要多次進(jìn)行平順性和可靠性路試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此為縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，本文中提出了借助動(dòng)力學(xué)和有限元的方法，設(shè)計(jì)了全浮懸置系統(tǒng)的正向開發(fā)流程，其與傳統(tǒng)開發(fā)流程的對(duì)比如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程對(duì)比圖

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常按照偏頻和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難于設(shè)計(jì)襯套的剛度，靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)修改費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在操穩(wěn)性與平順性兩方面難于權(quán)衡選擇。本文中研究正向開發(fā)流程，從模態(tài)分布上進(jìn)行振動(dòng)舒適性設(shè)計(jì)，利用參數(shù)辨識(shí)的方法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)彈簧、穩(wěn)定桿和襯套等的剛度，利用臺(tái)架激勵(lì)掃頻的方法驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；以模擬試車場可靠性路譜中心點(diǎn)位移作為動(dòng)力學(xué)模型的激勵(lì)，得到懸置支架不同路面工況的載荷，作為有限元的輸入條件，分析懸置系統(tǒng)的支架強(qiáng)度，從而避免了大量的試驗(yàn)，有效地縮短周期和降低費(fèi)用。

2 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

駕駛室全浮懸置系統(tǒng)性能參數(shù)設(shè)計(jì)通常根據(jù)偏頻和經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)彈簧(空氣彈簧、螺旋彈簧等)剛度和減振器阻尼，未考慮聯(lián)接件的襯套的剛度要求，容易導(dǎo)致導(dǎo)向聯(lián)接的加速度干涉，從而影響整車的振動(dòng)舒適性，也未考慮穩(wěn)定桿的剛度設(shè)計(jì)，難于權(quán)衡平順性與操穩(wěn)性的要求。本文中采用參數(shù)辨識(shí)的方法，根據(jù)駕駛室懸置系統(tǒng)模態(tài)的要求，整體設(shè)計(jì)所有彈性件的剛度參數(shù)(由于阻尼設(shè)計(jì)通常是按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)車調(diào)校，不是本文的關(guān)注范圍，不作詳細(xì)討論)，可以有效解決這些問題。

2.1 參數(shù)辨識(shí)方法

由于彈性件(前懸彈簧、后懸彈簧、穩(wěn)定桿、翻轉(zhuǎn)襯套、擺臂襯套和液壓鎖襯套等)剛度參數(shù)多(合計(jì)17個(gè)參數(shù)，見表3)，利用常規(guī)建模進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)比較困難。本文中采用參數(shù)辨識(shí)方法如下。

(1) 建立參數(shù)辨識(shí)模型。利用ADAMS，建立駕駛室懸置系統(tǒng)的模型如圖2所示。其彈性件的剛度參數(shù)未知，利用臺(tái)架模擬車架，求解懸置系統(tǒng)模態(tài)時(shí)，固定車架自由度，用ADAMS/Vibration模塊求解，得到駕駛室6向頻率Fx0(前后)，F(xiàn)y0(左右)，F(xiàn)z0(垂直)，F(xiàn)rx0(側(cè)傾)，F(xiàn)ry0(俯仰)和Frz0(橫擺)。

圖2 全浮式懸置系統(tǒng)仿真模型

(2) 確定模型的輸入。駕駛室懸置系統(tǒng)的模型輸入?yún)?shù)主要是駕駛室的慣性參數(shù)。

(3) 確定模型的響應(yīng)。為保證駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振性能，可通過控制懸置系統(tǒng)的模態(tài)分布實(shí)現(xiàn)。駕駛室懸置系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，可參照對(duì)標(biāo)車型模態(tài)參數(shù)，也可參照整車模態(tài)配置和隔振要求。本文中設(shè)定全浮懸置系統(tǒng)模態(tài)分布見表1。

表1 懸置系統(tǒng)模態(tài)頻率分布設(shè)計(jì)表 Hz

(4) 利用參數(shù)辨識(shí)的方法，識(shí)別彈性件的剛度。利用優(yōu)化方法，通過不斷迭代彈性件的剛度，使ADAMS模型計(jì)算得到的模態(tài)逼近設(shè)計(jì)模態(tài)(優(yōu)化目標(biāo)obj最小)，將參數(shù)辨識(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

本文中參數(shù)辨識(shí)流程利用Isight集成ADAMS和MATLAB，采用多島遺傳優(yōu)化迭代的方法，通過修改彈簧、穩(wěn)定桿和襯套等的剛度，使ADAMS計(jì)算的6向頻率逼近設(shè)計(jì)值，即優(yōu)化目標(biāo)最小，其最優(yōu)結(jié)果得到的彈簧、穩(wěn)定桿和襯套等的剛度即為性能設(shè)計(jì)參數(shù),流程如圖3所示。

圖3 參數(shù)辨識(shí)設(shè)計(jì)

優(yōu)化目標(biāo)為

obj=((Fx-Fx0)2+(Fy-Fy0)2+(Fz-Fz0)2+(Frx-Frx0)2+(Fry-Fry0)2+(Frz-Frz0)2)1/2

本文中通過優(yōu)化方法辨識(shí)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果如表2所示，其辨識(shí)誤差不大于5%，模態(tài)辨識(shí)精度較高。

表2 模態(tài)辨識(shí)精度對(duì)比

這說明，采用優(yōu)化的方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)是可行的。

最終的性能參數(shù)設(shè)計(jì)見表3。

2.2 模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，按照優(yōu)化的性能參數(shù)，制作樣件，測試駕駛室懸置系統(tǒng)的模態(tài)。駕駛室全浮懸置系統(tǒng)存在間隙、限位、非線性剛度和阻尼等，按照傳統(tǒng)的模態(tài)測試方法得到的懸置系統(tǒng)模態(tài)，誤差較大。本文中利用MOOG臺(tái)架，采用基礎(chǔ)激勵(lì)掃頻模態(tài)測試方法進(jìn)行懸置系統(tǒng)模態(tài)測試，如圖4所示。

表3 性能參數(shù)設(shè)計(jì)表

圖4 臺(tái)架模態(tài)試驗(yàn)裝置

具體方法如下。

(1) 在MOOG 6自由度臺(tái)架上，裝配駕駛室及其懸置系統(tǒng)，并在臺(tái)架和駕駛室各選取4點(diǎn)采集加速度。

(2) 6個(gè)方向單獨(dú)進(jìn)行單頻步進(jìn)(分辨率為0.1Hz)正弦位移激勵(lì)，為縮短測試時(shí)間，每個(gè)方向的掃頻范圍在設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)上適當(dāng)?shù)剡x擇，如表4所示。

(3) 將單頻掃頻測試采集到的加速度信號(hào)，進(jìn)行帶通濾波，分別將駕駛室和臺(tái)架的4點(diǎn)加速度轉(zhuǎn)化為中心點(diǎn)加速度，并用駕駛室信號(hào)除以臺(tái)架信號(hào)，求得傳遞函數(shù)，如圖5所示。

表4 掃頻試驗(yàn)設(shè)置

圖5 臺(tái)架模態(tài)掃頻傳函

(4)傳遞函數(shù)最大值處對(duì)應(yīng)的頻率，即為駕駛室全浮懸置系統(tǒng)的模態(tài)頻率，測試結(jié)果如表5所示。

表5 模態(tài)計(jì)算與測試對(duì)比

從表5可知，按設(shè)計(jì)性能參數(shù)，進(jìn)行試制的駕駛室懸置系統(tǒng)，其實(shí)測模態(tài)與計(jì)算模態(tài)很好吻合，且在設(shè)計(jì)的模態(tài)分布范圍內(nèi)，說明符合設(shè)計(jì)要求。

3 可靠性設(shè)計(jì)

駕駛室全浮懸置系統(tǒng)的開發(fā)除了關(guān)注振動(dòng)舒適性外，還須考慮懸置系統(tǒng)支架的疲勞可靠性。可以借助有限元分析工具，評(píng)價(jià)懸置支架的強(qiáng)度是否滿足要求。目前，支架類強(qiáng)度分析所需要的邊界載荷難以確定。為求得準(zhǔn)確的邊界載荷，本文中采用多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，利用中心點(diǎn)位移輸入法，計(jì)算載荷。

中心點(diǎn)位移輸入法是采用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將2個(gè)或更多測點(diǎn)的加速度路譜數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為多體動(dòng)力學(xué)模型激勵(lì)中心點(diǎn)的6向加速度；并通過雙重積分(濾掉1Hz以下的數(shù)據(jù))，得到中心點(diǎn)位移的一種方法。中心點(diǎn)加速度轉(zhuǎn)化方法如下。

中心點(diǎn)位移輸入法具體計(jì)算步驟如下：

(1)在可靠性試車場，采集前后左右4處懸置系統(tǒng)支架下端車架處的加速度；

(2)利用車架4個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過上述中心點(diǎn)位移法，求得仿真中心點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)(忽略車架的彈性變形)；

(3)將加速度信號(hào)雙重積分變成位移信號(hào)(濾掉1Hz以下數(shù)據(jù))；

(4)將得到的中心點(diǎn)6向位移作為駕駛室懸置系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型的臺(tái)架激勵(lì)(見圖2)；

(5)計(jì)算懸置支架各聯(lián)接位置的載荷。

以多體動(dòng)力學(xué)分析的載荷為有限元強(qiáng)度分析輸入，分析各支架的受力情況，如圖6所示。

圖6 強(qiáng)度分析

各支架的最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 各支架的最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

由表6可知，各支架應(yīng)力都不超過許用應(yīng)力(QT450，310MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

4 整車路試驗(yàn)證

按GB/T 4970—2009[7]標(biāo)準(zhǔn)，在高速公路上，分

別用牽引頭、牽引半掛空載和牽引半掛滿載，以60，65，70，75，80和85km/h車速勻速行駛，評(píng)價(jià)駕駛員側(cè)地板加權(quán)加速度指標(biāo)。整車平順性結(jié)果見圖7。

圖7 整車平順性測試圖

由圖7可知，各種載荷工況下，整車平順性滿足不大于0.6m/s2的開發(fā)目標(biāo)；同時(shí)整車通過了海南瓊海試車場5 000km壞路試驗(yàn)，滿足了可靠性目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)通過臺(tái)架模態(tài)試驗(yàn)說明，動(dòng)力學(xué)模型是準(zhǔn)確的；通過平順性路試說明，設(shè)計(jì)的性能參數(shù)是可行的；通過可靠性路試說明，可靠性滿足要求。

(2)利用本文中正向開發(fā)流程指導(dǎo)設(shè)計(jì)，可避免開發(fā)失敗的危險(xiǎn)，減少試驗(yàn)的次數(shù)，從而有效提高設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用。

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A Research on the Forward Development Procedure for the Full-Float Mounting System of a Commercial Vehicle Cab

Huang Dehui, Li Sheng, Li Dong, Zhang Kai, Xiang Jiandong & Wang Feng

FAWJiefangQingdaoAutomobileCo.,Ltd.,Qingdao266043

Based on dynamics and finite element method, the forward development procedure of a full-float cab mounting system is studied. On one hand, a dynamics model is built and performance parameters are designed by means of parameter identification; on the other hand, the road spectra of reliability proving ground are fitted as the input to dynamics model to calculate load spectra and analyze the reliability of suspension bracket. The results of modal testing with frequency sweeping on test bench and road test demonstrate that the dynamics model is accurate and the development procedure is feasible. The suspension system developed with the procedure can meet the design objective, while enhancing design efficiency and reducing development cost.

commercial vehicle cab; full-floating suspension; parameter identification; center point displacement; modal testing

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月8日。