車身多點橡膠懸置系統布置形式研究

雷盼飛 周良生 畢鳳榮 石純放 朱強

（1.軍事交通學院，天津300161；2.軍事交通運輸研究所，天津300161；3.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072）

車身多點橡膠懸置系統布置形式研究

雷盼飛1周良生2畢鳳榮3石純放3朱強1

（1.軍事交通學院，天津300161；2.軍事交通運輸研究所，天津300161；3.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072）

分析了平置式和V型布置式車身多點橡膠懸置系統的運動規律及特點，并以某6×6型軍用車輛為模型樣車，基于ADAMS對其進行了振動特性的仿真研究與優化對比。結果表明：橡膠懸置元件在V型布置中具有更好的應用價值；V型布置式車身多點橡膠懸置系統擁有更好的隔振效果，尤其在垂向和側傾方向。

1 前言

車身多點橡膠懸置系統是指通過車架與車身（上裝）之間的若干橡膠彈性元件，將車身彈性連接在車架上，將來自地面、動力總成的振動有效隔離和衰減的車輛隔振子系統[1]，在軍用運輸車輛中有很好的應用前景。本文參照動力總成懸置系統的有關研究成果，嘗試對車輛車身多點懸置系統的布置形式進行研究。車身多點懸置系統分為平置式與V型布置式[2]，本文分析了2種布置形式下車身多點懸置系統的特性及運動規律，并在某車型下對2種布置形式的車身多點懸置系統進行隔振性能的仿真與優化，對其特性進行了對比分析。

2 典型車身多點橡膠懸置系統的布置形式

由多個規則彈性元件與被承載物體所組成的支承系統存在彈性主軸與彈性中心[2]。根據橡膠元件彈性主軸與所選參考坐標系的位置關系將其分為平置式多點懸置系統與V型布置式多點懸置系統，如圖1所示。

平置式由于被支承物體質心不位于彈性主軸Ⅱ、Ⅲ上，因此存在y0與γ以及z0與β的2自由度耦合。相較于平置式，V型布置式彈性主軸Ⅲ的位置明顯提高。通過位置、剛度參數的合理匹配，使彈性中心E2位于被支承物體質心z0向主慣性軸上，可實現橫向與側傾方向的解耦。

3 隔振性能的仿真分析

3.1 建立整車多體動力學模型

以某軍用重型越野車輛為模型樣車，以車身多點懸置系統為研究內容。定義車輛坐標系Oxyz，原點O位于前軸軸線中心處，xy平面平行于水平地面，x軸垂直于前軸指向車輛后方，y軸平行于前軸指向駕駛員右側，z軸服從右手定則。在ADAMS/Chassis中建立前、后懸架鋼板彈簧模型，在ADAMS/View中通過運動副與其他構件裝配成整車多體動力學模型。

根據GB/T 12538—2003和GB/T 4783—1984在空載狀態下對整車質心位置及懸架系統固有頻率和阻尼比進行試驗測量，如圖2所示。其中整車轉動慣量根據文獻[3]進行估算。

圖2 部分試驗現場

裝配振動臺，對整車模型前、后懸架進行強迫振動分析，頻率范圍設置為0.1～20 Hz。

所建模型與試驗結果的誤差分析如表1所示。其中，ffusp、frusp分別為前、后懸架系統車輪部分偏頻；ffsp、frsp分別為前、后懸架系統車身部分偏頻。由表1可知，模型的相對誤差均控制在10%以內，滿足工程要求。

表1 模型參數與試驗結果的誤差分析

3.2 加裝車身多點橡膠懸置系統

在ADAMS中，利用阻尼器（Bushing）模擬橡膠懸置元件，忽略其扭轉方向剛度及阻尼，將懸置元件簡化為3向剛度阻尼元件[4]。參照原車固定連接點位置及相關試驗，選取懸置點的數量為8個，左右對稱且沿x向均勻布置，并由前至后進行編號，具體位置如表2所示。

根據廠商提供的信息，一般采用硬質橡膠的硬度為80 HA，其阻尼約為1 N·s/mm。橡膠元件的壓縮剪切剛度比一般為3～8[5]，在此取最小值3。根據上裝滿載質量及懸置點數量，設置橡膠懸置壓縮剛度為500 N/mm。其中，加裝平置式多點懸置系統后的整車模型如圖3所示。

表2 平置式懸置點位置參數（左側）

圖3 加裝車身多點懸置系統的整車模型（滿載）

在壓縮剪切剛度比為3的條件下，根據上裝質量參數及懸置位置參數計算可得，當懸置坐標軸與參考坐標軸夾角約為30°時，橫向與側傾方向的耦合剛度為0。V型布置式懸置點具體位置參數如表3所示。

表3 V型布置式懸置點位置參數（左側）

3.3 上裝隔振仿真分析

利用諧波疊加法在MATLAB中生成速度為40 km/h的D級路面時域模型。根據左、右輪相干系數法[6]計算左、右輪相干系數，拓展為空間D級路面。在滿載狀態下，針對2種布置形式進行整車動力學仿真計算，上裝響應結果統計如表4所示。

參照ISO2631-1∶1997(E)與GB/T 4970—2009，以上裝質心處3個軸向的總加權加速度均方根值（記為Rx、Ry、Rz）作為上裝振動水平的評價函數，并且取x、y方向的軸加權系數為1.4[7]。考慮到上裝前、中、后部分Rz相差較大，因此取質心z向加速度Rz、左前懸置點z向加速度Rl和右后懸置點z向加速度Rr的均值作為，因此，評價函數為：

計算可得平置式上裝振動水平為6 471.39 mm/s2；V型布置式上裝振動水平為6 043.00 mm/s2，可見V型布置式的振動水平略低于平置式，其中，V型布置式Ry明顯大于平置式，而其Rz小于平置式，驗證了V型布置式的橫向剛度大于平置式，而垂向剛度小于平置式的判斷。在頻域內，V型布置式的側傾角加速度頻域峰值明顯低于平置式，驗證了其側傾方向固有頻率較低，具有較小的側傾剛度的判斷。

表4 初始仿真結果統計

4 上裝隔振優化分析

4.1 優化過程

本文以降低上裝振動水平為優化目標，因此仍以式（1）作為目標函數。為對比2種布置方式的隔振效果，需要保證其各懸置點受到的激勵相同，因此維持各懸置點位置參數不變，僅選擇剛度參數作為優化參數，設定左、右對稱位置剛度相同，剛度比為3。取壓縮剛度的上、下限分別為600 N/mm、300 N/mm。除剛度參數本身的限制外，約束上裝質心處z向位移極差不大于50 mm。采用序列二次規劃（SQP）算法[8]進行優化。

4.2 優化結果

在ADAMS中定義仿真腳本，保持表2、表3中的位置參數設置，對2種布置下的整車模型分別進行優化計算，得到的參數優化結果如表5所示，優化前、后部分結果如圖4～圖7所示。

表5 參數優化結果 N/mm

圖4 平置式布置優化前、后上裝振動加速度時域曲線

圖5 V型布置式布置優化前、后上裝振動加速度時域曲線

對優化后的仿真結果進行統計，如表6所示。根據式（1）計算可得優化后平置式的振動水平為5 130.64 mm/s2，相對降低了20.72%，V型布置式的振動水平為4 560.46 mm/s2，相對降低了24.53%，說明優化取得了較好的效果。優化后，2種布置方式下側傾角加速度RMS均有所降低，其中平置式降低了20.40%，V型布置式降低了29.01%。平置式的側傾角加速度頻域峰值明顯降低，其質心側傾角度極差小幅增加，說明優化后其側傾剛度明顯減小。

圖6 平置式優化后上裝質心處側傾角加速度仿真結果

圖7 V型布置式優化后上裝質心處側傾角加速度仿真結果

對優化后2種布置方式的振動結果進行比較，盡管V型布置式的y向振動加速度RMS較大，但是其整體振動水平低于平置式。就來看，V型布置式上裝z向振動水平均低于平置式，且各部分z向振動水平相差較小。V型布置式的側傾角加速度RMS為40.42(°)/s2，也明顯小于平置式，說明在側傾方向也取得了較好的隔振效果。就上裝運動幅值來看，V型布置方式下的側傾角度極差與z向位移極差雖然較大，但是均在可接受的范圍內。

表6 優化后仿真結果統計

5 結束語

a.針對橡膠懸置元件壓縮剪切剛度比大的特性，V型布置式懸置系統能夠彌補橡膠懸置元件剪切剛度小的特點，提供相對較大的橫向剛度與較小的側傾剛度，具有良好的應用價值。

b.平置式與V型布置形式都能取得較好的隔振效果，通過剛度參數優化，振動水平和側傾方向角加速度RMS均有較大幅度的降低。

c.理想條件下，V型布置式隔振效果略優于平置式，尤其在垂向與側傾方向可獲得更好的隔振效果。考慮到平置式在工程實際中還需要加裝保護措施，因此V型布置式的隔振效果進一步凸顯。

1 沈穎剛，楊文釗，郭鵬，等.汽車懸置系統研究綜述.機械設計與研究，2015（6）：131～139.

2 呂振華，范讓林，馮振東.汽車動力總成隔振懸置布置的設計思想論析.內燃機工程，2004（3）：37～43.

3 郭正康.汽車整車轉動慣量的計算與選取.汽車研究與開發，1993（6）：42～44.

4 顧夢引.某車輛動力總成懸置系統優化設計及其軟件開發：[學位論文].北京：北京理工大學，2016.

5 吳志平.汽車動力總成典型橡膠懸置結構三向靜剛度比的計算與實測：[學位論文].廣州：華南理工大學，2013.

6 王亞，陳思忠，鄭凱鋒.時空相關路面不平度時域模型仿真研究.振動與沖擊，2013（5）：70～74.

7 余志生.汽車理論.第五版.北京：機械工業出版社，2006.

8 項凌.商用車駕駛室懸置系統優化設計研究：[學位論文].武漢：華中科技大學，2008.

Research on Arrangement of Body Multi-Point Rubber Suspension System

Lei Panfei1,Zhou Liangsheng2,Bi Fengrong3,Shi Chunfang3,Zhu Qiang1
（1.Military Transportation University,Tianjin 300161;2.Institute of Military Transportation,Tianjin 300161;3.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072）

The paper analyzes the movement rules and characteristics of the body multi-point rubber suspension system based on horizontal layout and V-type layout,a 6×6 military vehicle model is used to simulate and optimize the vibration characteristics of the vehicle based on ADAMS.The research concludes that the rubber suspension elements would have a better application value in the V-type layout;the V-type layout multi-point suspension system has achieved a better vibration isolation level,especially in the vertical and roll direction.

Multi-point rubber suspension system,Horizontal layout,V-type layout,Vibration isolation,Optimization

車身多點橡膠懸置系統 平置式 V型布置式 隔振 優化

U463.85+9

A

1000-3703（2017）11-0055-04

（責任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年8月21日。