基于四立柱试验台和特征路面的平顺性分析方法

2021-02-23景立新刘志敏吴利广

科学技术与工程 2021年2期

景立新, 刘志敏, 吴利广, 李耀

(中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300)

平顺性是车辆底盘性能的重要组成部分，与操纵稳定性、转向性能共同决定着车辆底盘性能的好坏，近年来对平顺性开发越来越重视。目前中外各汽车企业均已建立起较为完善的操纵稳定性及转向性能开发流程及规范，而由于各种原因还未形成相应的平顺性开发流程及规范。

汽车平顺性客观评价方法主要包括：吸收功率法、总体乘坐值法等[1-2]。在汽车平顺性开发中仍没有建立起广泛采用的分析和试验方法和流程。多数汽车企业采用平顺性主观评价的方法，匹配悬架系统参数完成平顺性能的提升，无法在设计阶段进行平顺性能把控，增加了项目开发周期、经费及风险。在理论研究方面潘道远等人采用基于等级路面激励和发动机激励的平顺性能研究。研究表明平均周期图法谱估计时应用空间采样频率将输出路面空间域功率谱密度(power spectral density,PSD)，而时间采样频率对应着路面时间域PSD输出，理论分析并以与《汽车平顺性试验方法》(GB/T 4970—2009)和ISO2631—2018标准的对比验证[3]。

采用四立柱整车振动试验台以构造不同等级的路面模型和行驶工况作为输入进行平顺性客观试验，通过系统的对比和评价，建立基于四立柱振动试验台的平顺性评价和分析方法；形成客观的评价指标及评价体系，改变工程开发中主要依靠主观测试来评价平顺性的现状，使平顺性的评价更有效，并可实现平顺性能的前期设计开发及中后期的基于四立柱试验台架的的底盘平顺性评价调校。

1 仿真对比分析

借助1/4车辆振动模型[4-5]分析悬架系统相关参数对于振动特性的影响。简化模型如图1所示。

m1为簧下质量；m2为簧上质量；K为悬架刚度；C为减振器阻尼系数；Kt为轮胎刚度；z1为车轮垂直位移；z2为车身垂直位移；q为路面不平度

车轮与车身垂直位移坐标为z1、z2，坐标原点选在各自的平衡位置，其运动方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

(3)悬架动挠度fd对路面不平度q的频率特性。

(5)

建模仿真得到以下结论。

(1)不同阻尼系数对于车身加速度、相对动载荷和悬架动挠度分别对路面不平度的幅频特性影响，如图2所示。图2结果表明，增大阻尼系数可明显可现在降低共振频率处峰值增益，在平顺性开发过程中选取适合的相对阻尼系数值。

图的幅频特性

(2)不同簧下质量对于车身加速度、相对动载荷和悬架动挠度分别对路面不平度的幅频特性影响，如图3所示。图3结果表明，减小簧下质量可降低簧下振动幅值，簧下偏频增大，同时明显降低悬架相对动载，减小动载有利于提高车辆操纵稳定性。

图的幅频特性

(3)不同悬架刚度对于车身加速度、相对动载荷和悬架动挠度分别对路面不平度的幅频特性影响，如图4所示。图4结果表明，减小悬架刚度有利于减小悬架偏频处振动幅值，同时悬架偏频降低，悬架相对动载降低。

图的幅频特性

(4)不同轮胎刚度对于车身加速度、相对动载荷和悬架动挠度分别对路面不平度的幅频特性影响，如图5所示。图5结果表明降低轮胎刚度有利于簧下振动幅值，同时减低悬架相对动载明显降低，垂向刚度软的轮胎多平顺性及操稳均有好处。

表1 输入参数

图的幅频特性

(5)不同簧上质量对于车身加速度、相对动载荷和悬架动挠度分别对路面不平度的幅频特性影响，如图6所示。图6结果表明，增大簧上质量，簧下偏频下降，车身振动幅值明显降低，悬架动挠度增加，悬架相对动载下降。

图的幅频特性

2 试验对比分析

2.1 特征路面工况设定

结合上述分析结果并进行设计优化后的整车以四轮振动输入为例，进行等速和等幅扫频信号输入，试验输入条件如表2所示。同时结合路面工况，制定了作动器作动相位差模拟整车heave、pitch和roll等形式。

表2 试验输入条件

采用等速扫频输入的优势在于，其路面速度谱为常数，与实际路面的频谱构成相类似，获得的响应与随机路面相类似。如图7、图8所示。

图7 C级路面速度和速度功率谱

2.2 四立柱台架试验

整车四立柱测试采用MTS systems corporation公司的四立柱试验台进行平顺性特征工况试验，如图9所示。在试验前分别把传感器安装到悬架系统的簧上、簧下等位置，如图10所示。

利用传递路径分析(transfer path analysis, TPA)方法, 通过实车试验和分析, 可以迅速、有效地识别出对汽车某处振动起主要作用的振源的传递路径, 为整车振动控制、提高其行驶平顺性提供依据[5-10]。传递路径分析方法中，需要确定输入和输出的传递函数，传递函数是振动系统中输入输出的固有特性，也是该方法中的关键。

基于四立柱振动台架的整车振动试验，以试验台作为输入，同时也需要在试验台台面上安装加速度传感器测得真实输入信号，输出测试点安装在转向节和车身悬架安装减振塔处分别作为簧下和簧上的振动输出信号采集点，如图11所示。

图11为车辆四轮输入输出振动传递幅频特性图，振动特性主要表现出3个集中质量的振动特性，簧上振动主要集中在1～3 Hz，簧下振动主要集中在10～15 Hz，发动机振动主要集中在5～18 Hz。对于平顺性而言，车身和轮胎接地点、车身和轮心的振动传递特性表现出包含轮胎刚度的振动传递率略低。

图11 同向起伏工况右前作动器、左前作动器、左后作动器及右后作动器的幅频特性

图12为侧倾工况扫频，左右轮相位反向，前后轮相位同向。侧倾(roll)扫频工况，左右幅值和相位差，引起车辆侧倾角振动，进而激起了动力总成振动传递特性，5 Hz峰值明显。同时簧上振动主要集中在0～5 Hz，簧下振动主要集中在10～15 Hz。

图12 侧倾工况左前作动器、右前作动器、左后作动器及右后作动器的幅频特性

对比侧倾(roll)和俯仰(pitch)扫频工况车辆响应的相干性，前后轮路面输入、左右轮路面输入之间可用相功率谱密度函数或相干函数描述。图13表明，车辆的同向起伏(heave)、侧倾(roll)和俯仰(pitch)输入，以及同向起伏(heave)、侧倾(roll)和(pitch)输入之间的相干性来识别道路输入。具有以下特征：低频的左右相干性接近1，高频的相干性几乎为0；所有频率的垂直和俯仰相干性接近于0。侧倾工况中，激起动力总成的响应特性，然而在同向起伏(heave)和俯仰(pitch)工况中，特性不明显。

图13 等幅扫频2 mm左前作动器、右前作动器、左后作动器及右后作动器的幅频特性

3 平顺性评价

整车各系统振动固有频率分布不同，在平顺性设计和评价中，需要综合考虑不同系统的固有频率。图14为车辆各系统的固有频率分布。

图14 整车频率分布

结合整车各系统中，影响平顺性较大的集中质量振动频率划分，由图15可知：①考察车身振动特性，需匹配和调校较好的悬架刚度和阻尼；②考察簧下振动特性，轮胎选型和匹配中合理选择轮胎刚度和簧下质量；③考察动力总成的振动特性，匹配和调校发动机悬置和变速器悬置刚度；④考察座椅振动特性，在座椅上未配置乘员质量；⑤考察结构刚度如车身(装配附件的车身系统)，开发前期需考虑车身扭转刚度，及底盘系统安装点的局部刚度等。对于不同车辆或优化前后对比不同频率范围的传递率衰减程度。