商用車駕駛室懸置仿真設計與試驗分析

黃繼剛 李 琳 李凱強

1.南京航空航天大學金城學院，南京，2111562.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江，212013

商用車駕駛室懸置仿真設計與試驗分析

黃繼剛1李 琳1李凱強2

1.南京航空航天大學金城學院，南京，2111562.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江，212013

針對某商用車駕駛室懸置系統，建立了其動力學仿真模型，經臺架試驗驗證后進行了隔振性能優化設計。根據動力學仿真模型的邊界條件，建立其有限元仿真模型并進行臺架試驗驗證。在有限元模型中模擬了各種極限工況，根據反饋信息進行修改與重設計。運用疲勞試驗機測試了駕駛室懸置系統結構件與彈性元件的三向耐疲勞特性，提出耐疲勞設計建議。結果表明，采用仿真設計與臺架試驗相結合的方法能快速有效地解決商用車駕駛室懸置研發難題。

駕駛室懸置；動力學模型；有限元模型；臺架試驗；疲勞特性

0 引言

隨著駕乘舒適性要求的不斷提高，全浮式商用車駕駛室懸置已日漸普及。本文所研究的空氣彈簧式駕駛室懸置具有系統固有頻率低且穩定、隔振效果好、質量小、噪聲小等優點，因而被廣泛應用于中高檔商用車[1]。然而，它只能承受徑向力，需要增添導向機構以加強側向穩定性，這使系統不可避免地趨于復雜化。駕駛室懸置系統在整車中起著舉足輕重的作用，國內外學者對其各項性能也展開了探索性研究[2-4]。在駕駛室懸置新產品設計初期，設計人員一般采用簡單的經驗公式或簡化的仿真模型進行設計與校核[5-7]，這對于成熟的老產品設計具有一定優勢，但對于復雜的新產品設計卻存在一些問題。在駕駛室懸置研發后期，通常根據試制樣車反復進行路試的結果來改進設計，或是根據市場反饋信息進行整改修復[8-10]，這大大延長了設計周期，增加了設計成本，降低了市場競爭力。

在空氣彈簧式駕駛室懸置研發過程中，筆者采用仿真設計與臺架試驗相結合的方法，該方法可保證設計的準確性，同時能大大縮短設計周期且降低研發成本。

1 駕駛室懸置動態性能

駕駛室懸置系統動態特性與其空間結構布置相關性較強，因而需探索與驗證特定空間結構的合理性。本文所研究的空氣彈簧駕駛室懸置系統由前懸置和后懸置組成。前懸空氣彈簧直立布置，主要承受垂向力；后懸空氣彈簧斜置布置，同時承受垂向力和側向力。

1.1駕駛室懸置臺架試驗

為探索彈性元件(空氣彈簧、襯套等)對空氣彈簧駕駛室懸置系統的隔振效果，將駕駛室懸置安裝于所研制的等效駕駛室與四通道道路模擬試驗機之間(圖1)。其中，等效駕駛室與原真實駕駛室滿足機械動力學轉換原則，即兩者之間具有相同的質量、質心坐標、轉動慣量；四通道道路模擬試驗機主要由伺服直線作動器、液壓控制系統、動靜態試驗軟件包及加載支架和附件等組成，液壓控制系統控制直線作動器運動,其運動信號由相應傳感器測取，經處理后反饋至計算機完成閉環控制。

圖1 臺架試驗圖Fig.1 Bench test

將駕駛室懸置系統中空氣彈簧氣壓調至正常工作氣壓(500 kPa),將加速度傳感器布置在彈性元件輸入端與輸出端(圖2)，測取垂向加速度信號，并將其濾波后進行積分，成為位移信號。

圖2 加速度傳感器布點Fig.2 Acceleration sensors’ position

1.2駕駛室懸置動力學模型

在ADAMS/View中，采用剛柔耦合的方式建立駕駛室懸置系統動力學模型(圖3)。動力學模型中前懸的橫向穩定桿和后懸的龍門架采用彈性體，其他結構采用剛體，系統自由度為102，懸置系統的空氣彈簧采用Spring-Damper模擬，各襯套用Bushing模擬。

圖3 駕駛室懸置動力學模型Fig.3 Dynamics model of cab suspension

1.2.1空氣彈簧剛度特性

由于膜式空氣彈簧具有強非線性，其剛度特性可表示為[11]

(1)

式中，K為剛度；pr為空氣彈簧內氣體壓力；pa為大氣壓力；m為多變指數；S0為氣囊在平衡位置時的有效面積；D為氣囊的有效面積變化率；V為空氣彈簧的體積；x為空氣彈簧的位移。

將式(1)對位移進行一次積分，即得空氣彈簧所受載荷與內壓的關系，其為一元三次方程，且空氣彈簧載荷與內壓成比例關系，即

(2)

其中，F0為常數。采用美國MTS公司的電液伺服激振系統測試了膜式空氣彈簧在常溫環境、不同氣壓下的載荷位移曲線，擬合得正常工作氣壓(500 kPa)下的載荷位移曲線方程：

F=0.0077x3+0.1311x2+12.5x+3486 (N)

(3)

其中，位移單位為mm。因而，取空氣彈簧一次項線性剛度為12.5 N/mm。

1.2.2空氣彈簧阻尼特性

在常溫環境下采用WDTS-Ⅳ電測示功機測量前后懸空氣彈簧速度與載荷曲線，根據線性黏性阻尼模型公式f=cv擬合其阻尼值，其中，f為阻尼力，c為黏性阻尼，v為測試速度。前后懸置空氣彈簧復原阻尼擬合值分別取8051 N·s/m和4959 N·s/m。

1.2.3襯套剛度特性

在常溫下采用DJW橡膠動靜態剛度疲勞試驗機測試駕駛室懸置各襯套剛度，如圖4所示。由于襯套阻尼值很小，故可忽略不計。襯套剛度測試結果見表1。

圖4 襯套位置圖Fig.4 The location of bear bushes

駕駛室翻轉支座襯套(徑向)剛度(kN/m)23.2后穩定臂襯套剛度(徑向空向)(kN/m)0.25后穩定臂襯套剛度(徑向實向)(kN/m)1.67穩定支座襯套剛度(徑向實向)(kN/m)44.67穩定支座襯套剛度(徑向空向)(kN/m)1.86穩定支座襯套剛度(軸向)(kN/m)0.59穩定支座襯套剛度(扭轉)(kN·m/(°))71.64

1.3仿真與試驗結果對比分析

在臺架試驗與動力學仿真模型中同時輸入“搓衣板路”工況路譜，得各彈性元件測點位移的試驗與仿真對比值，見表2。由表2可知，仿真結果的最大誤差不超過13%，最小誤差在4%以內，滿足工程需求，因而，所建動力學模型具有一定可靠性。

表2 試驗仿真值Tab.2 Experimental and simulation data

1.4駕駛室懸置隔振性能優化

在駕駛室懸置動力學仿真模型中，以駕駛室座椅垂向加速度功率譜密度函數為優化目標，以前后懸置空氣彈簧一次項剛度值與阻尼值為優化變量，駕駛室側傾角與俯仰角為約束條件，采用廣義簡約梯度法進行優化設計。優化后空氣彈簧一次項剛度值為18.8 N/mm，前后懸空氣彈簧的阻尼分別為8214 N·s/m和3879 N·s/m。

2 駕駛室懸置靜態性能

駕駛室懸置空間結構及彈性元件性能參數確定之后，系統的動態特性隨之確定。駕駛室懸置的靜態特性(如靜強度、靜剛度等)也是駕駛室懸置設計中的重要考量性能。

2.1駕駛室懸置滿載工況靜強度試驗

將等效駕駛室安裝于駕駛室懸置上，并在等效駕駛室特定位置擺放總質量為300 kg的重物，模擬駕駛室滿載工況。將等效駕駛室垂直緩慢吊升，直至駕駛室懸置不受駕駛室的外力作用。根據經驗，在駕駛室懸置結構件應力較大處布置應變片，如圖5所示。其中，翻轉軸管(O點)處為單向應變片，與軸向成45°；駕駛室翻轉支座(AL和AR處)受力比較復雜，采用三向應變花；其他為單向應變片，沿垂向方向布置。應變片布點完成后靜置24 h，對應變進行標定清零后，緩慢降落等效駕駛室，使駕駛室懸置平穩受力，待駕駛室懸置受力不再增大時，記錄各測點應變數值。重復3次，取平均值作為最后測量值。

圖5 應變片布點Fig.5 The location of the strain gauges

2.2駕駛室懸置滿載工況有限元仿真

采用HYPERMESH劃分駕駛室懸置網格，其中，鈑金件采用殼單元，復雜的鑄件采用四面體實體單元，襯套采用CBUSH單元，空氣彈簧采用CELAS1單元模擬其一次項線性剛度，螺栓連接與焊接皆采用RBE2單元模擬，駕駛室懸置有限元模型如圖6所示。

圖6 駕駛室懸置有限元模型Fig.6 Finite element model of cab suspension

駕駛室懸置的下端采用固支連接，它與駕駛室連接處的邊界受力條件由動力學模型導出，并由RADIOSS進行靜強度計算。

2.3仿真與試驗結果對比分析

將靜強度試驗測點的應變值乘以相應材料的彈性模量轉換成相應的應力值，它與有限元仿真值的對比見表3。由表3可知，仿真值與試驗值的誤差在10%以內，且誤差方向具有一致性，證明了所建有限元模型的有效性，能滿足工程分析需要。

表3 測點應力值Tab.3 Stress value

2.4駕駛室懸置模態分析

在上述有限元模型基礎上計算駕駛室懸置系統的自由模態參數，見表4。相對于車體(車架)的一階彎曲共振頻率范圍(5～6 Hz)和彈簧下質量共振頻率范圍(8～15 Hz)，駕駛室懸置的模態頻率遠離上述共振頻率，因此，該駕駛室懸置可獲得較好的吸收振動效果。

表4 駕駛室懸置模態Tab.4 The mode of cab suspension

2.5駕駛室懸置極限工況分析

車輛行駛時會遇到劇烈上下顛簸、緊急制動、急速大轉向等極限工況，通常難以通過物理樣車進行試驗，此時有限元仿真分析可起重要的作用。在有限元模型中分別采用3.5G垂向沖擊工況(駕駛室重心處垂向向下施加3.5倍駕駛室重力)、1G制動工況(駕駛室重心處沿行駛方向施加1倍駕駛室重力)、1G側傾工況(駕駛室重心處側向朝向行駛方向右側施加1倍駕駛室重力)模擬上述極限工況下駕駛室懸置各零件應力狀態(由于駕駛室懸置系統中存在大量的空氣彈簧之類的彈性元件，具有強非線性，故不考慮系統剛度)。在3.5G垂向沖擊工況中，駕駛室懸置系統中駕駛室翻轉支座的局部應力較大(圖7a)，可通過局部加厚、增設加強筋等措施解決。在1G制動工況中，駕駛室懸置系統中后懸駕駛室連接板處局部應力集中(圖7b)，可通過增設加強筋、更換材料、調整螺栓預緊力等措施解決。在1G側傾工況中，駕駛室懸置系統中穩定支座出現局部應力集中現象(圖7c)，可通過增大圓角、增加板厚等措施解決。

(a)翻轉支座應力值

(b)連接板應力值

(c)穩定支座應力值圖7 各工況應力集中零件Fig.7 Stress concentration parts under different working conditions

雖然駕駛室懸置在極限工況下部分零件出現屈服，但可通過局部微調緩解應力集中，而這些微小改動對系統的動態特性的影響可忽略不計。

3 駕駛室懸置疲勞性能

駕駛室懸置系統滿足靜強度設計要求并不能保證其設計可靠性，通常需要測試其耐疲勞性能。所研究的駕駛室懸置系統中包含大量彈性元件，因而其具有強非線性，不利于對其進行系統疲勞仿真。故本文采用自研駕駛室懸置疲勞試驗機對其疲勞特性進行研究。

3.1駕駛室疲勞試驗機

為探索駕駛室懸置垂向、縱向和側向的耐疲勞特性，研制了駕駛室懸置三向疲勞試驗機，如圖8所示。

圖8 疲勞試驗機Fig.8 Cab suspension fatigue testing equipment

試驗機主要包括液壓激振頭、龍門架、等效駕駛室、底座等。等效駕駛室與原駕駛室具有相同的質量和質心位置，轉動慣量相差不大。等效駕駛室由方管、鋼板等焊接，剛度較大，不易產生大變形。等效駕駛室質心位置有3個沿著垂向、縱向和側向的卡槽，液壓激振頭連接不同方向的卡槽可測試駕駛室懸置不同方向的疲勞特性。液壓激振頭采用力控制閉環系統，能輸出穩定的激振力。液壓激振頭與龍門架采用關節軸承連接，能釋放旋轉自由度，避免激振頭過約束。與激振頭相連的龍門架由類工字梁和方管組成，剛度較大，激振頭工作時龍門架最大變形不超過0.1 mm。

3.2駕駛室懸置疲勞試驗

將激振頭分別連接等效駕駛室垂向卡槽(圖9a)、縱向卡槽(圖9b)、側向卡槽(圖9c),考察其三向疲勞特性。駕駛室懸置垂向疲勞試驗時激振頭的輸入力幅值為2倍駕駛室自重，且其為平衡值為0、頻率為1 Hz的正弦譜，振動5×104次，持續時間約14 h。駕駛室懸置縱向疲勞和側向疲勞試驗時激振頭輸入力幅值為0.5倍駕駛室自重，其他與垂向疲勞試驗條件相同。駕駛室懸置疲勞試驗的評價指標為系統結構件不出現裂紋、彈性元件不出現過大磨損或開裂、駕駛室翻轉和鎖止裝置不出現使用性能損傷等。若系統結構件出現裂紋或開裂，可對結構件容易產生應力集中的區域進行微調或補強；若系統彈性元件出現過大磨損或開裂,可改變其膠料配方，增強磨損性能；若駕駛室翻轉和鎖止裝置出現使用性能損傷，一方面可提高裝置耐磨性，另一方面可調整系統受力狀態。

(a)垂向連接

(b) 縱向連接

(c)側向連接圖9 三向疲勞試驗Fig.9 Fatigue test

4 分析與討論

針對某駕駛室懸置系統研發提出了采用仿真設計與臺架試驗相結合的方法，能在設計前期及時發現設計缺陷并及時糾正。首先建立了空氣彈簧駕駛室懸置的動力學模型，同時進行了相應的臺架試驗并證實了其有效性。由于空氣彈簧駕駛室懸置中包含大量彈性元件，為達到系統最優振動特性，可采用動力學模型對其進行匹配優化。若在駕駛室懸置下端輸入復雜試驗路況路譜，可模擬其在各復雜工況的運行狀況，輔助完成動力學優化設計。由優化后的動力學模型邊界條件建立駕駛室懸置的有限元模型，且采用滿載工況靜強度試驗驗證了所建模型的有效性。采用有限元模型分析了駕駛室懸置的模態，排除了它與簧上部件和簧下部件產生共振的可能性。同時，有限元模型還能用來預判車輛在極限工況下的應力狀況，并采取措施及時解決其強度問題。當駕駛室懸置滿足靜強度(不考慮靜剛度)要求時，還需驗證系統的耐疲勞特性，根據需求研制了駕駛室懸置三向疲勞試驗機，對垂向、縱向、側向疲勞特性進行了測試，并根據出現的問題提出相應的解決方案。若不能單次解決所有問題，可重復上述流程，循環迭代，直至滿足設計要求。同理，上述設計方法也適用于其他系統或整車設計，具有一定的工程價值。

5 結論

(1)本文建立了空氣彈簧駕駛室懸置動力學模型與有限模型，并用相應臺架試驗進行驗證，結果表明，仿真模型與臺架試驗具有較好的一致性，能滿足工程分析需求。

(2)本文采用動力學模型對駕駛懸置系統動態特性進行了優化，采用有限元模型預測了駕駛室懸置極限工況的應力狀態，采用疲勞試驗機測試了駕駛室懸置的三向疲勞特性，結果表明，設計周期大大縮短，降低了設計成本。

(3)本文提出的設計方法同樣適用于車輛其他系統或整車設計。

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SimulationDesignandExperimentalAnalysisofCommercialVehicleCabSuspensions

HUANG Jigang1LI Lin1LI Kaiqiang2

1.Nanhang Jincheng College, Nanjing, 211156 2.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu,212013

A dynamics simulation model was established and testified by bench test researches for the development of a cab suspension and based on which the vibration isolation was optimized. A finite element model was also built and validated using the boundary conditions extracted from the dynamics model. Several limiting conditions were analyzed, which gave back necessary informations for modifying the structures of cab suspensions. The fatigue characteristics of the cab suspension was also tested by the fatigue tester. The results show that the difficulties encountered in researches and developments of cab suspensions may be solved efficiently by the method of simulation design and experimental analyses.

cab suspension; dynamics model; finite element model; bench test research; fatigue characteristic

U463.331

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.004

2017-01-25

國家自然科學基金資助項目(51405201)；江蘇省汽車工程重點實驗室開放基金資助項目(QC201303)

(編輯陳勇)

黃繼剛，男，1982年生。南京航空航天大學金城學院講師。主要研究方向為車輛結構設計、車輛測試診斷、車輛電子控制。E-mail: 595871792@qq.com。李琳，女，1982年生。南京航空航天大學金城學院講師。李凱強，男，1990年生。江蘇大學汽車與交通工程學院博士研究生。