车身多点悬置系统稳定性灵敏度分析

雷盼飞，周良生，毕凤荣，石纯放

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2.军事交通运输研究所，天津300161；3.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)

车身多点悬置系统稳定性灵敏度分析

雷盼飞1，周良生2，毕凤荣3，石纯放3

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2.军事交通运输研究所，天津300161；3.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)

为研究军用越野汽车车身稳定性问题，建立整车多体动力学模型，进行悬置系统的位置、刚度参数对振动水平和涉及稳定性的振动水平的影响分析。结果表明，悬置位置参数及侧向刚度参数对系统隔振性能影响较大且呈现相关关系；在涉及稳定性因素后，中前悬置点位置参数和后悬置点刚度参数对评价函数和稳定性有显著影响。

车身多点悬置系统；稳定性；正交设计试验；灵敏度分析

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

军用重型越野车辆行驶路况差，上装对平顺性要求高，因此对车身多点悬置系统的研究有重要的现实意义[1]。本文以某军用重型越野车辆为模型样车，建立整车多体动力学模型，加装车身多点悬置系统，基于正交试验进行悬置系统的隔振性能对位置、刚度参数的灵敏度分析，对悬置系统设计、优化等具有参考作用。

1 整车多体动力学建模与验证

1.1整车模型的建立

以车身多点悬置系统为研究对象，车辆多点悬置系统振动分析简化模型如图1所示。建模过程中，假设条件如下：

图1 车辆多点悬置系统振动分析简化模型

(1)忽略驾驶室悬置及动力总成系统的振动，将车架及驾驶室视为刚体；

(2)上装简化为密度均匀分布的长方体；

(3)将车轮视为刚体，通过其与振动台的接触参数模拟其刚度、阻尼。定义车辆坐标系Oxyz，原点O位于前轴轴线中心处，xy平面平行于水平地面，x轴垂直于前轴指向车辆后方，y轴平行于前轴指向驾驶员右侧，z轴服从右手定则。

以某军用重型越野车辆为模型样车，利用离散梁(Beam)方法建立前、后钢板弹簧悬架模型[2]，创建其他几何构件，通过运动副连接，在ADAMS/View中装配成整车模型。

1.2整车模型验证

1.2.1 整车质量参数及悬挂系统参数测量

根据GB/T 12538—2003和GB/T 4783—1984，在空载状态下对整车质心位置及悬挂系统固有频率及阻尼比进行试验测量。整车转动惯量根据文献[3]进行计算。

1.2.2 整车模型的验证

整车模型的质量参数根据ADAMS软件所提供的质量计算工具箱直接读取。在ADAMS/ Vibration模块中，利用强迫振动分析法，进行前、后悬挂系统的扫频(0～20 Hz)，结果如图2所示。

从上表可以看出在人民公园、植物园、动物园等7大城市公园绿地中以孤植、片植、绿篱方式示范栽植的新疆忍冬成活率都达到了99%以上，抽取的2131株样本中成活2119株，平均成活率达到99.44%。新疆忍冬在西宁市区的适应性良好，生长健康健壮，花果观赏价值高，景观配置效果非常好，是今后可以推广的良好城市绿化景观树种。

(a)前悬架

(b)后悬架图2 前、后悬架强迫振动分析频响函数图

根据图2的扫频结果，可以得到前、后悬挂系统的簧上、簧下质量的固有频率。整车模型参数与试验值的误差见表1。由表1可知，整车质量参数及前后悬挂系统固有频率的试验结果与模型参数的误差分析，其相对误差均控制在±8%内，在工程误差允许的范围内，因此证明建立的模型符合实际。其中，前轴悬挂系统车身部分偏频的误差较大，分析其主要原因是车身简化所导致。

表1 模型参数与试验值的误差分析结果

2 加装车身多点悬置系统

试验样车车身与车架纵梁之间原采用U型螺栓固定连接，现将其更换为多点橡胶块弹性连接。参照当前固定连接点位置及相关试验，选取悬置点的数量为8个，左右对称并由前至后进行编号(如图3所示)。在加装过程中将弹性悬置元件前后均匀布置于车架纵梁上，设置悬置点距离纵梁外侧边缘20 mm，悬置元件在满载状况下的初始高度为100 mm。

图3 悬置点位置

利用阻尼器(Bushing)模拟橡胶悬置元件，忽略其扭转方向刚度及阻尼，将悬置元件简化为三向刚度阻尼元件[4]。根据厂商提供的信息，一般采用硬质橡胶的硬度为邵氏A80度，其阻尼约为1 N·s/mm，设定初始三向刚度均为600 N/mm。

3 车身多点悬置系统灵敏度分析

3.1正交试验设计

采用正交设计试验(design of orthogonal experimental, DOE)方法[5]进行参数灵敏度分析。由于车辆固有结构的限制，以两侧悬置点x向布置位置Xi、悬置元件垂向刚度KZi及侧向刚度KCi(i=1～4)作为设计变量，并假定左右两侧相应悬置点参数一致，不考虑悬置V型布置及阻尼变化。试验中共计12个变量，定义每个变量取3个水平值，其中水平1设定为名义值。具体设计变量及所取水平见表2。

根据变量数目与所取水平数目，编制正交试验表L27(313)[6](见表3)。选取上装质心处3个方向的加速度均方根值(Rx、Ry、Rz)、垂向位移极差Zmax、上装侧倾角度极差α和俯仰角度极差β记录试验结果，在空间D级仿真路面[7]40 km/h下进行仿真计算。

表2 DOE设计变量及各水平取值

3.2仅考虑振动水平的参数灵敏度分析

评价函数参照ISO 2631—1:1997(E)与GB/T 4970—2009，考虑3个轴向的振动加速度均方根值RMS(记为Rx、Ry、Rz)，并且取x、y两个水平轴向的轴加权系数为1.4[8]。为便于比较，将其进行归一化处理，以试验1为名义值，试验2中振动水平的评价函数f1(2)定义为

式中下标1与2为试验1与试验2相应指标的取值。试验数据处理结果见表3中W1列。

定义每个试验变量3个水平对应的试验结果均值分别为yj1、yj2、yj3(j=1～12)，并计算每个试验变量各水平均值的极差Cj=max (yj1,yj2,yj3) -min(yj1,yj2,yj3)。根据灵敏度的数学意义，定义试验结果对参数x的灵敏度Sj为

式中Xj(max)、Xj(min)为在第j个设计变量中yj1、yj2、yj3取最大、最小值时设计变量的取值。计算结果见表4。

根据极差分析法，极差越大说明该变量对试验结果影响越大，该变量也越重要。由表4可知，X1对上装振动水平影响最大，X3次之。侧向刚度参数的影响远大于垂向刚度参数，尤其是KC1和KC2，垂向刚度方面，KZ3影响最大。

由灵敏度结果分析可知，对于位置参数，上装振动水平对X1最敏感，其灵敏度为0.130 4，对X3与X2较为敏感，达到0.1以上；相比垂向刚度参数，上装振动水平对侧向刚度更为敏感，KC1和KC2的灵敏度分别达到了0.495 4和0．348 8，垂向刚度中KZ3灵敏度最大，为0.114 5。

表3 正交设计试验表及数据处理结果

表4 振动水平对悬置参数的灵敏度

3.3涉及稳定性的参数灵敏度分析

在定义隔振性能的过程中，不仅需要将振动水平降低，也需要严格控制被隔振物体的运动[9]。添加上装质心处垂向位移极差Zmax、侧倾角极差α和俯仰角极差β等3个表征稳定性的参数作为评价指标。

计算中，针对各指标之间单位不一致，进行归一化处理，试验2中涉及稳定性的评价函数f2(2)定义为

实验数据处理结果见表3中W2列，灵敏度计算见表5。表5中，X3对涉及稳定性的上装振动水平影响最大，而非上述X1，侧向刚度的影响依旧大于垂向刚度，垂向刚度中KZ4的影响显著提高。

根据灵敏度计算结果，评价函数对X2最敏感，而非上述X1；侧向刚度参数的灵敏度依旧大于垂向刚度，垂向刚度中KZ2的灵敏度显著减小。其中主要参数对不涉及/涉及稳定性的振动水平的影响趋势如图4—6所示，其中A、B分别表示对不涉及/涉及稳定性的振动水平的影响。1、3号悬置点x向位置越靠后隔振效果越好，而2号悬置点的位置在名义值附近时隔振效果最好；垂向刚度对评价函数影响较小，且影响规律不同，但在名义值±50%范围内，刚度倾向于取较小值；侧向刚度与评价函数成正相关的关系，在名义值±50%范围内其值越小隔振效果越好。

表5 涉及稳定性的振动水平对悬置参数的灵敏度

图4 主要位置参数对不涉及/涉及稳定性的振动水平的影响

图5 主要垂向刚度参数对不涉及/涉及稳定性的振动水平的影响

图6 主要侧向刚度参数对不涉及/涉及稳定性的振动水平的影响

4 结 论

(1)车身前3个悬置点的x向位置参数对评价函数影响较大，且1号、3号悬置点分别向后移动400mm、200mm后，评价函数f2分别减小了42.6和50.6；垂向刚度参数对评价函数影响较小，且影响趋势复杂；侧向刚度参数对评价函数影响较大，尤其是1、2号悬置点，其侧向刚度从300 N/mm增大至900 N/mm，评价函数f2分别增大了22.4%和14.7%，这些参数在悬置系统的设计、优化过程中需要着重考虑。

(2)灵敏度分析的过程中，评价函数分别考虑了振动水平和涉及稳定性的振动水平两种状况，发现在涉及稳定性因素后，X2和KZ4的影响程度明显增加，KC4的影响程度明显减小，说明这些参数对稳定性的影响非常显著。

(3)在评价函数中加入稳定性指标，可以将车身的运动状况纳入考虑范围，使其对悬置系统隔振性能的评价更加全面。本文用于灵敏度分析的评价函数对悬置系统设计、优化阶段的评价也有一定的借鉴意义。

[1] 于海波,徐倩倩.某越野军车车身悬置系统设计开发[C]//中国汽车工程学会.2015中国汽车工程学会年会论文集:第3卷.北京:中国汽车工程学会,2015:4.

[2] 史世俊.ADAMS钢板弹簧离散梁建模及重型载货汽车悬架K&C特性仿真[D].长春:吉林大学,2012.

[3] 郭正康.汽车整车转动惯量的计算与选取[J].汽车研究与开发,1993(6):42-44.

[4] 钱留华.基于多体动力学汽车动力总成隔振性能研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[5] 张武,陈剑,陈鸣.采用正交试验的发动机悬置系统灵敏度分析[J].噪声与振动控制,2011(5):168-172.

[6] 项凌.商用车驾驶室悬置系统优化设计研究[D].武汉:华中科技大学,2008.

[7] 王亚,陈思忠,郑凯锋.时空相关路面不平度时域模型仿真研究[J].振动与冲击,2013(5):70-74.

[8] 余志生．汽车理论[M].5版.北京:机械工业出版社,2006:205-206.

[9] MINA M S KS, KEMAL C G, ROMAN H, et al. Optimization of damper top mount characteristics to improve vehicle ride comfort and harshness [J]. Shock and Vibration，2014,20(6):179-184.

(编辑：张峰)

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)

● 车辆工程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．

雷盼飞(1992—)，男，硕士研究生；周良生(1965—)，男，博士，高级工程师，硕士研究生导师．