車身多點懸置系統穩定性靈敏度分析

雷盼飛，周良生，畢鳳榮，石純放

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，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)

車身多點懸置系統穩定性靈敏度分析

雷盼飛1，周良生2，畢鳳榮3，石純放3

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，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)

為研究軍用越野汽車車身穩定性問題，建立整車多體動力學模型，進行懸置系統的位置、剛度參數對振動水平和涉及穩定性的振動水平的影響分析。結果表明，懸置位置參數及側向剛度參數對系統隔振性能影響較大且呈現相關關系；在涉及穩定性因素后，中前懸置點位置參數和后懸置點剛度參數對評價函數和穩定性有顯著影響。

車身多點懸置系統；穩定性；正交設計試驗；靈敏度分析

Keywords: carriage multi-point suspension system; stability; orthogonal design experiment; sensitivity analysis

軍用重型越野車輛行駛路況差，上裝對平順性要求高，因此對車身多點懸置系統的研究有重要的現實意義[1]。本文以某軍用重型越野車輛為模型樣車，建立整車多體動力學模型，加裝車身多點懸置系統，基于正交試驗進行懸置系統的隔振性能對位置、剛度參數的靈敏度分析，對懸置系統設計、優化等具有參考作用。

1 整車多體動力學建模與驗證

1.1整車模型的建立

以車身多點懸置系統為研究對象，車輛多點懸置系統振動分析簡化模型如圖1所示。建模過程中，假設條件如下：

圖1 車輛多點懸置系統振動分析簡化模型

(1)忽略駕駛室懸置及動力總成系統的振動，將車架及駕駛室視為剛體；

(2)上裝簡化為密度均勻分布的長方體；

(3)將車輪視為剛體，通過其與振動臺的接觸參數模擬其剛度、阻尼。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。

以某軍用重型越野車輛為模型樣車，利用離散梁(Beam)方法建立前、后鋼板彈簧懸架模型[2]，創建其他幾何構件，通過運動副連接，在ADAMS/View中裝配成整車模型。

1.2整車模型驗證

1.2.1 整車質量參數及懸掛系統參數測量

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掛系統固有頻率及阻尼比進行試驗測量。整車轉動慣量根據文獻[3]進行計算。

1.2.2 整車模型的驗證

整車模型的質量參數根據ADAMS軟件所提供的質量計算工具箱直接讀取。在ADAMS/ Vibration模塊中，利用強迫振動分析法，進行前、后懸掛系統的掃頻(0～20 Hz)，結果如圖2所示。

從上表可以看出在人民公園、植物園、動物園等7大城市公園綠地中以孤植、片植、綠籬方式示范栽植的新疆忍冬成活率都達到了99%以上，抽取的2131株樣本中成活2119株，平均成活率達到99.44%。新疆忍冬在西寧市區的適應性良好，生長健康健壯，花果觀賞價值高，景觀配置效果非常好，是今后可以推廣的良好城市綠化景觀樹種。

(a)前懸架

(b)后懸架圖2 前、后懸架強迫振動分析頻響函數圖

根據圖2的掃頻結果，可以得到前、后懸掛系統的簧上、簧下質量的固有頻率。整車模型參數與試驗值的誤差見表1。由表1可知，整車質量參數及前后懸掛系統固有頻率的試驗結果與模型參數的誤差分析，其相對誤差均控制在±8%內，在工程誤差允許的范圍內，因此證明建立的模型符合實際。其中，前軸懸掛系統車身部分偏頻的誤差較大，分析其主要原因是車身簡化所導致。

表1 模型參數與試驗值的誤差分析結果

2 加裝車身多點懸置系統

試驗樣車車身與車架縱梁之間原采用U型螺栓固定連接，現將其更換為多點橡膠塊彈性連接。參照當前固定連接點位置及相關試驗，選取懸置點的數量為8個，左右對稱并由前至后進行編號(如圖3所示)。在加裝過程中將彈性懸置元件前后均勻布置于車架縱梁上，設置懸置點距離縱梁外側邊緣20 mm，懸置元件在滿載狀況下的初始高度為100 mm。

圖3 懸置點位置

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，將懸置元件簡化為三向剛度阻尼元件[4]。根據廠商提供的信息，一般采用硬質橡膠的硬度為邵氏A80度，其阻尼約為1 N·s/mm，設定初始三向剛度均為600 N/mm。

3 車身多點懸置系統靈敏度分析

3.1正交試驗設計

采用正交設計試驗(design of orthogonal experimental, DOE)方法[5]進行參數靈敏度分析。由于車輛固有結構的限制，以兩側懸置點x向布置位置Xi、懸置元件垂向剛度KZi及側向剛度KCi(i=1～4)作為設計變量，并假定左右兩側相應懸置點參數一致，不考慮懸置V型布置及阻尼變化。試驗中共計12個變量，定義每個變量取3個水平值，其中水平1設定為名義值。具體設計變量及所取水平見表2。

根據變量數目與所取水平數目，編制正交試驗表L27(313)[6](見表3)。選取上裝質心處3個方向的加速度均方根值(Rx、Ry、Rz)、垂向位移極差Zmax、上裝側傾角度極差α和俯仰角度極差β記錄試驗結果，在空間D級仿真路面[7]40 km/h下進行仿真計算。

表2 DOE設計變量及各水平取值

3.2僅考慮振動水平的參數靈敏度分析

評價函數參照ISO 2631—1:1997(E)與GB/T 4970—2009，考慮3個軸向的振動加速度均方根值RMS(記為Rx、Ry、Rz)，并且取x、y兩個水平軸向的軸加權系數為1.4[8]。為便于比較，將其進行歸一化處理，以試驗1為名義值，試驗2中振動水平的評價函數f1(2)定義為

式中下標1與2為試驗1與試驗2相應指標的取值。試驗數據處理結果見表3中W1列。

定義每個試驗變量3個水平對應的試驗結果均值分別為yj1、yj2、yj3(j=1～12)，并計算每個試驗變量各水平均值的極差Cj=max (yj1,yj2,yj3) -min(yj1,yj2,yj3)。根據靈敏度的數學意義，定義試驗結果對參數x的靈敏度Sj為

式中Xj(max)、Xj(min)為在第j個設計變量中yj1、yj2、yj3取最大、最小值時設計變量的取值。計算結果見表4。

根據極差分析法，極差越大說明該變量對試驗結果影響越大，該變量也越重要。由表4可知，X1對上裝振動水平影響最大，X3次之。側向剛度參數的影響遠大于垂向剛度參數，尤其是KC1和KC2，垂向剛度方面，KZ3影響最大。

由靈敏度結果分析可知，對于位置參數，上裝振動水平對X1最敏感，其靈敏度為0.130 4，對X3與X2較為敏感，達到0.1以上；相比垂向剛度參數，上裝振動水平對側向剛度更為敏感，KC1和KC2的靈敏度分別達到了0.495 4和0．348 8，垂向剛度中KZ3靈敏度最大，為0.114 5。

表3 正交設計試驗表及數據處理結果

表4 振動水平對懸置參數的靈敏度

3.3涉及穩定性的參數靈敏度分析

在定義隔振性能的過程中，不僅需要將振動水平降低，也需要嚴格控制被隔振物體的運動[9]。添加上裝質心處垂向位移極差Zmax、側傾角極差α和俯仰角極差β等3個表征穩定性的參數作為評價指標。

計算中，針對各指標之間單位不一致，進行歸一化處理，試驗2中涉及穩定性的評價函數f2(2)定義為

實驗數據處理結果見表3中W2列，靈敏度計算見表5。表5中，X3對涉及穩定性的上裝振動水平影響最大，而非上述X1，側向剛度的影響依舊大于垂向剛度，垂向剛度中KZ4的影響顯著提高。

根據靈敏度計算結果，評價函數對X2最敏感，而非上述X1；側向剛度參數的靈敏度依舊大于垂向剛度，垂向剛度中KZ2的靈敏度顯著減小。其中主要參數對不涉及/涉及穩定性的振動水平的影響趨勢如圖4—6所示，其中A、B分別表示對不涉及/涉及穩定性的振動水平的影響。1、3號懸置點x向位置越靠后隔振效果越好，而2號懸置點的位置在名義值附近時隔振效果最好；垂向剛度對評價函數影響較小，且影響規律不同，但在名義值±50%范圍內，剛度傾向于取較小值；側向剛度與評價函數成正相關的關系，在名義值±50%范圍內其值越小隔振效果越好。

表5 涉及穩定性的振動水平對懸置參數的靈敏度

圖4 主要位置參數對不涉及/涉及穩定性的振動水平的影響

圖5 主要垂向剛度參數對不涉及/涉及穩定性的振動水平的影響

圖6 主要側向剛度參數對不涉及/涉及穩定性的振動水平的影響

4 結 論

(1)車身前3個懸置點的x向位置參數對評價函數影響較大，且1號、3號懸置點分別向后移動400mm、200mm后，評價函數f2分別減小了42.6和50.6；垂向剛度參數對評價函數影響較小，且影響趨勢復雜；側向剛度參數對評價函數影響較大，尤其是1、2號懸置點，其側向剛度從300 N/mm增大至900 N/mm，評價函數f2分別增大了22.4%和14.7%，這些參數在懸置系統的設計、優化過程中需要著重考慮。

(2)靈敏度分析的過程中，評價函數分別考慮了振動水平和涉及穩定性的振動水平兩種狀況，發現在涉及穩定性因素后，X2和KZ4的影響程度明顯增加，KC4的影響程度明顯減小，說明這些參數對穩定性的影響非常顯著。

(3)在評價函數中加入穩定性指標，可以將車身的運動狀況納入考慮范圍，使其對懸置系統隔振性能的評價更加全面。本文用于靈敏度分析的評價函數對懸置系統設計、優化階段的評價也有一定的借鑒意義。

[1] 于海波,徐倩倩.某越野軍車車身懸置系統設計開發[C]//中國汽車工程學會.2015中國汽車工程學會年會論文集:第3卷.北京:中國汽車工程學會,2015:4.

[2] 史世俊.ADAMS鋼板彈簧離散梁建模及重型載貨汽車懸架K&C特性仿真[D].長春:吉林大學,2012.

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[4] 錢留華.基于多體動力學汽車動力總成隔振性能研究[D].武漢:華中科技大學,2005.

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

[7] 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[J].振動與沖擊,2013(5):70-74.

[8] 余志生．汽車理論[M].5版.北京:機械工業出版社,2006:205-206.

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(編輯：張峰)

SensitivityAnalysisforStabilityofCarriageMulti-pointSuspensionSystem

LEI Panfei1, ZHOU Liangsheng2, BI Fengrong3, SHI Chunfang3
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Institute of Military Transportation, Tianjin 300161, China; 3.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

● 車輛工程VehicleEngineering

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.011

U461.6

A

1674-2192(2017)09- 0045- 05

2017-04-25；

2017-06-07．

雷盼飛(1992—)，男，碩士研究生；周良生(1965—)，男，博士，高級工程師，碩士研究生導師．