乘用車在不同車身高度下的平順性分析

王金平， 李殿起， 王殿鈞， 郭君娥

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870)

0 引 言

人們對(duì)汽車的乘坐舒適性要求越來越高，汽車平順性是影響汽車乘坐舒適性的主要因素，但影響平順性的原因有很多。因此汽車平順性的研究具有重要的價(jià)值。各種激勵(lì)會(huì)刺激行駛過程中的車輛，汽車因這些激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，影響乘員的乘坐舒適性，并且使車輛的大部分零部件疲勞損傷，車輛的使用壽命因此縮短。另外，車輛的操縱穩(wěn)定性會(huì)因車輛振動(dòng)產(chǎn)生的輪胎動(dòng)載荷受到影響，降低了車輛的安全性，限制了車輛的動(dòng)力性，且路面也會(huì)在部分振動(dòng)情況嚴(yán)重時(shí)遭到破壞[1]。

外國學(xué)者做過人對(duì)不同頻率振動(dòng)反應(yīng)的試驗(yàn)，讓人坐在椅子上，先給一個(gè)強(qiáng)度不是很大的振動(dòng)，頻率由低到高，緩慢變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)頻率小于1 Hz時(shí)，人感到頭顱內(nèi)振動(dòng)，持續(xù)幾分鐘以后，會(huì)產(chǎn)生肌肉疼痛的感覺；頻率為2 Hz時(shí)，人感到困乏、愛打瞌睡；5～8 Hz時(shí)，感到難以忍受，并且呼吸和講話都受到干擾；9～30 Hz時(shí)，人會(huì)感到臉頰、頸部振動(dòng)，視覺受到干擾；振動(dòng)頻率超過30 Hz時(shí)，人雙手操作駕駛受到嚴(yán)重影響。汽車在駕駛過程中，路途顛震與發(fā)動(dòng)機(jī)的震顫，致使司機(jī)和乘員長期處于全身振動(dòng)狀態(tài)，雖然振動(dòng)的傷害對(duì)人體的損傷很小，但是這種損傷正如滴水穿石的積累，最終會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重的損害。因此汽車平順性的研究具有重要的價(jià)值。

J.A. Peterson[2]主動(dòng)懸架系統(tǒng)中增加自適應(yīng)阻尼，提升了車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。Kazemeini[3]建立了1/4車輛空氣懸架模型，設(shè)計(jì)了全主動(dòng)控制器和相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)架，仿真和試驗(yàn)的結(jié)果均表明控制器能有效地降低車身的加速度和輪胎動(dòng)載荷，提高了汽車平順性。Selim Solmaz等[4]研究了安裝輪轂電動(dòng)機(jī)引起的簧下質(zhì)量增加對(duì)車輛行駛平順性的影響，并提出通過改進(jìn)懸架及輪胎參數(shù)來抵消簧下質(zhì)量增加引起的負(fù)面效應(yīng)。對(duì)行駛平順性的分析和評(píng)價(jià)方法的研究，國內(nèi)學(xué)者要略晚于國外。但國內(nèi)學(xué)者通過借鑒和吸收國外對(duì)平順性的研究經(jīng)驗(yàn)，也得到重要的研究成果。弓馨等[5]利用參數(shù)敏感度理論，分析輪胎剛度、懸架橡膠件垂向剛度、懸架彈簧剛度和座椅剛度對(duì)座椅和地板的垂直加速度均方根值的影響。張志飛等[6]針對(duì)商用車的平順性與道路友好性協(xié)調(diào)問題，采用遺傳算法優(yōu)化懸架剛度和阻尼系數(shù)。

圖1 車輛全主動(dòng)懸架振動(dòng)簡化模型

1 全主動(dòng)懸架振動(dòng)簡化模型

1/4車輛半主動(dòng)懸架振動(dòng)簡化模型如圖1所示。

由圖1可得，1/4車輛全主動(dòng)懸架振動(dòng)簡化模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程為：

2 不同車高對(duì)平順性的影響

部分限制條件的白噪聲可用作路面激勵(lì)的隨機(jī)波動(dòng)，以濾波器完成對(duì)它的一定轉(zhuǎn)換，具有特定譜特征的隨機(jī)過程可由空間功率譜密度與時(shí)間功率譜密度聯(lián)合推導(dǎo)出，故路面不平度位移的時(shí)域表達(dá)式為

隨機(jī)路面的模型在軟件Simulink中的搭建如圖2所示。

圖2 隨機(jī)路面輸入模型

根據(jù)空氣懸架系統(tǒng)振動(dòng)模型、隨機(jī)路面模型及全主動(dòng)懸架的低位、中位和高位模型，在Matlab/Simulink中搭建的車身垂直加速度的仿真模型如圖3所示。此仿真模型以車身3個(gè)高度模式的車高，得出車身垂直加速度的變化，進(jìn)而得出空氣懸架的高度調(diào)節(jié)對(duì)乘用車平順性的影響。

圖3 全主動(dòng)懸架在不同車高下的仿真模型

當(dāng)車速分別為30 km/h、50 km/h，路面等級(jí)分別為A、C時(shí)的車身垂直加速度仿真結(jié)果如圖4～圖7所示，表1和表2所示為車身垂直加速度均方根值的計(jì)算結(jié)果。

圖4 車速30 km/h 時(shí)A 級(jí)路面車身垂直加速度仿真圖

圖5 車速30 km/h時(shí)C級(jí)路面車身垂直加速度仿真圖

圖6 車速50 km/h時(shí)A級(jí)路面車身垂直加速度仿真圖

圖7 車速50 km/h時(shí)C級(jí)路面車身垂直加速度仿真圖

表1 車速30 km/h在A級(jí)和C級(jí)路面車身垂直加速度均方根值

3 結(jié)論

由仿真結(jié)果可以看出，相同車速下，全主動(dòng)懸架在低位、中位和高位處車身垂直加速度均方根值逐漸增大，即車輛的行駛平順性變差；相同路況下，全主動(dòng)懸架在低位、中位和高位處車身垂直加速度均方根值逐漸增大，即車輛的行駛平順性變差；車身位置變化對(duì)平順性的影響大于車速和路況變化對(duì)平順性影響。

表2 車速50 km/h在A級(jí)和C級(jí)路面車身垂直加速度均方根值