商用车驾驶室全浮悬置系统正向开发流程研究

黄德惠，李 胜，李 栋，张 凯，向建东，王 锋

(一汽解放青岛汽车有限公司, 青岛 266043)

2016192

商用车驾驶室全浮悬置系统正向开发流程研究

黄德惠，李 胜，李 栋，张 凯，向建东，王 锋

(一汽解放青岛汽车有限公司, 青岛 266043)

基于动力学和有限元的方法，研究驾驶室全浮悬置系统正向开发流程。一方面，建立动力学模型，采用参数辨识的方法，设计性能参数；另一方面，利用中心点位移输入法，拟合可靠性试验场路谱，作为动力学模型输入，计算载荷谱，分析悬置支架的可靠性。台架扫频的模态测试和道路试验结果表明，动力学模型是准确的，开发流程是可行的。按照这套流程开发的悬置系统，既满足设计目标，又提高了设计效率和降低了开发费用。

商用车驾驶室；全浮式悬置；参数辨识；中心点位移；模态测试

前言

驾驶室悬置系统是商用车多级隔振系统之一，其性能好坏直接影响整车的NVH性能。商用车驾驶室悬置系统主要分为固定、半浮和全浮3种结构。早在2001年，文献[1]中提出一种4点空气气囊全浮驾驶室悬置系统，而如今，中重型商用车大部分配置全浮驾驶室悬置系统。因此研究一套开发流程来指导设计全浮驾驶室悬置，具有重要的意义。

目前关于全浮驾驶室悬置系统的研究文献较多，文献[2]中主要在现有车型结构上，提出了参数控制和DMU校核，并引入碰撞模拟分析技术，减少后期改进工作，缩短了开发周期。文献[3]中简单介绍了悬置的开发流程，而更多是利用ADAMS，研究驾驶室的刚、柔不同模型区别。文献[4]中研究了关于驾驶室悬置系统台架可靠性验证技术。还有一些研究是采用不同方法对驾驶室悬置系统隔振性能优化[5-6]。

综上所述，现在的研究主要侧重于驾驶室悬置系统性能仿真研究。本文中的研究侧重于驾驶室悬置系统正向开发流程，指导悬置系统开发全程性能设计，使其在满足振动舒适性和疲劳可靠性要求的同时，缩短开发周期，降低研发费用。

1 悬置开发流程

驾驶室全浮悬置系统是商用车独有的特征，其功能包括承载、减振、降噪、导向和举升等。传统的驾驶室全浮悬置系统开发，主要借助经验进行设计，需要多次进行平顺性和可靠性路试，费时费力。因此为缩短开发周期，降低研发费用，本文中提出了借助动力学和有限元的方法，设计了全浮悬置系统的正向开发流程，其与传统开发流程的对比如图1所示。

图1 开发流程对比图

传统的设计方法通常按照偏频和工程经验进行设计，难于设计衬套的刚度，靠试验数据进行反复修改费时费力，而且在操稳性与平顺性两方面难于权衡选择。本文中研究正向开发流程，从模态分布上进行振动舒适性设计，利用参数辨识的方法进行整体设计弹簧、稳定杆和衬套等的刚度，利用台架激励扫频的方法验证了模型的准确性；以模拟试车场可靠性路谱中心点位移作为动力学模型的激励，得到悬置支架不同路面工况的载荷，作为有限元的输入条件，分析悬置系统的支架强度，从而避免了大量的试验，有效地缩短周期和降低费用。

2 性能参数设计

驾驶室全浮悬置系统性能参数设计通常根据偏频和经验公式设计弹簧(空气弹簧、螺旋弹簧等)刚度和减振器阻尼，未考虑联接件的衬套的刚度要求，容易导致导向联接的加速度干涉，从而影响整车的振动舒适性，也未考虑稳定杆的刚度设计，难于权衡平顺性与操稳性的要求。本文中采用参数辨识的方法，根据驾驶室悬置系统模态的要求，整体设计所有弹性件的刚度参数(由于阻尼设计通常是按照经验设计和实车调校，不是本文的关注范围，不作详细讨论)，可以有效解决这些问题。

2.1 参数辨识方法

由于弹性件(前悬弹簧、后悬弹簧、稳定杆、翻转衬套、摆臂衬套和液压锁衬套等)刚度参数多(合计17个参数，见表3)，利用常规建模进行参数辨识比较困难。本文中采用参数辨识方法如下。

(1) 建立参数辨识模型。利用ADAMS，建立驾驶室悬置系统的模型如图2所示。其弹性件的刚度参数未知，利用台架模拟车架，求解悬置系统模态时，固定车架自由度，用ADAMS/Vibration模块求解，得到驾驶室6向频率Fx0(前后)，Fy0(左右)，Fz0(垂直)，Frx0(侧倾)，Fry0(俯仰)和Frz0(横摆)。

图2 全浮式悬置系统仿真模型

(2) 确定模型的输入。驾驶室悬置系统的模型输入参数主要是驾驶室的惯性参数。

(3) 确定模型的响应。为保证驾驶室悬置系统的隔振性能，可通过控制悬置系统的模态分布实现。驾驶室悬置系统的模态参数设计，可参照对标车型模态参数，也可参照整车模态配置和隔振要求。本文中设定全浮悬置系统模态分布见表1。

表1 悬置系统模态频率分布设计表 Hz

(4) 利用参数辨识的方法，识别弹性件的刚度。利用优化方法，通过不断迭代弹性件的刚度，使ADAMS模型计算得到的模态逼近设计模态(优化目标obj最小)，将参数辨识通过优化设计来实现。

本文中参数辨识流程利用Isight集成ADAMS和MATLAB，采用多岛遗传优化迭代的方法，通过修改弹簧、稳定杆和衬套等的刚度，使ADAMS计算的6向频率逼近设计值，即优化目标最小，其最优结果得到的弹簧、稳定杆和衬套等的刚度即为性能设计参数,流程如图3所示。

图3 参数辨识设计

优化目标为

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

本文中通过优化方法辨识的模态参数结果如表2所示，其辨识误差不大于5%，模态辨识精度较高。

表2 模态辨识精度对比

这说明，采用优化的方法进行参数辨识是可行的。

最终的性能参数设计见表3。

2.2 模态试验验证

为验证模型的准确性，按照优化的性能参数，制作样件，测试驾驶室悬置系统的模态。驾驶室全浮悬置系统存在间隙、限位、非线性刚度和阻尼等，按照传统的模态测试方法得到的悬置系统模态，误差较大。本文中利用MOOG台架，采用基础激励扫频模态测试方法进行悬置系统模态测试，如图4所示。

表3 性能参数设计表

图4 台架模态试验装置

具体方法如下。

(1) 在MOOG 6自由度台架上，装配驾驶室及其悬置系统，并在台架和驾驶室各选取4点采集加速度。

(2) 6个方向单独进行单频步进(分辨率为0.1Hz)正弦位移激励，为缩短测试时间，每个方向的扫频范围在设计的基准上适当地选择，如表4所示。

(3) 将单频扫频测试采集到的加速度信号，进行带通滤波，分别将驾驶室和台架的4点加速度转化为中心点加速度，并用驾驶室信号除以台架信号，求得传递函数，如图5所示。

表4 扫频试验设置

图5 台架模态扫频传函

(4)传递函数最大值处对应的频率，即为驾驶室全浮悬置系统的模态频率，测试结果如表5所示。

表5 模态计算与测试对比

从表5可知，按设计性能参数，进行试制的驾驶室悬置系统，其实测模态与计算模态很好吻合，且在设计的模态分布范围内，说明符合设计要求。

3 可靠性设计

驾驶室全浮悬置系统的开发除了关注振动舒适性外，还须考虑悬置系统支架的疲劳可靠性。可以借助有限元分析工具，评价悬置支架的强度是否满足要求。目前，支架类强度分析所需要的边界载荷难以确定。为求得准确的边界载荷，本文中采用多体动力学仿真模型，利用中心点位移输入法，计算载荷。

中心点位移输入法是采用运动学原理，将2个或更多测点的加速度路谱数据，转化为多体动力学模型激励中心点的6向加速度；并通过双重积分(滤掉1Hz以下的数据)，得到中心点位移的一种方法。中心点加速度转化方法如下。

中心点位移输入法具体计算步骤如下：

(1)在可靠性试车场，采集前后左右4处悬置系统支架下端车架处的加速度；

(2)利用车架4个测点的数据通过上述中心点位移法，求得仿真中心点加速度数据(忽略车架的弹性变形)；

(3)将加速度信号双重积分变成位移信号(滤掉1Hz以下数据)；

(4)将得到的中心点6向位移作为驾驶室悬置系统多体动力学模型的台架激励(见图2)；

(5)计算悬置支架各联接位置的载荷。

以多体动力学分析的载荷为有限元强度分析输入，分析各支架的受力情况，如图6所示。

图6 强度分析

各支架的最大应力统计见表6。

表6 各支架的最大应力统计

由表6可知，各支架应力都不超过许用应力(QT450，310MPa)，满足强度要求。

4 整车路试验证

按GB/T 4970—2009[7]标准，在高速公路上，分

别用牵引头、牵引半挂空载和牵引半挂满载，以60，65，70，75，80和85km/h车速匀速行驶，评价驾驶员侧地板加权加速度指标。整车平顺性结果见图7。

图7 整车平顺性测试图

由图7可知，各种载荷工况下，整车平顺性满足不大于0.6m/s2的开发目标；同时整车通过了海南琼海试车场5 000km坏路试验，满足了可靠性目标。

5 结论

(1)通过台架模态试验说明，动力学模型是准确的；通过平顺性路试说明，设计的性能参数是可行的；通过可靠性路试说明，可靠性满足要求。

(2)利用本文中正向开发流程指导设计，可避免开发失败的危险，减少试验的次数，从而有效提高设计效率，缩短开发周期，降低开发费用。

[1] GROSS A, VAN WYNSBERGHE R. Development of a 4-point-air cab suspension system for conventional heavy trucks[C]. SAE Paper 2001-01-2708.

[2] 叶福恒,许可,张延平,等.某商用车驾驶室全浮式悬置系统开发[J].汽车技术,2010(6):33-39.

[3] 王新宇,王登峰,陈静,等.商用车驾驶室悬置隔振系统设计开发[J].汽车技术,2009(3):11-14.

[4] GOSAVI SANTOSH S. In lab truck cab and cab suspension durability validation[C]. SAE Paper 2006-01-1245.

[5] SOLIMAN A. Improvement of the truck ride comfort via cab suspension[C]. SAE Paper 2008-01-1148.

[6] 赵永辉,马力,朱祝英.商用车全浮式驾驶室悬置系统优化设计[J].噪声与振动控制,2007(3):83-85.

[7] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 4970—2009汽车平顺性试验方法[S].北京:中国标准出版社,2010.

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

原稿收到日期为2016年7月4日，修改稿收到日期为2016年8月8日。