基于ADAMS的长头卡车驾驶室悬置振动特性研究

叶明松　许恩永

【摘 要】客户反馈某长头卡车在70 km/h车速存在前后、上下耦合的共振，平顺性较差。采用测试与Adams/Vibration仿真相结合的方法研究了该车驾驶室悬置的振动特性，发现其“固定”式驾驶室悬置存在5.5 Hz共振点导致平顺性异常，并发现采用“半浮”式驾驶室结构具有较好的平顺性。同时，采用仿真的手段对“半浮”式的刚度、阻尼和尺寸进行参数匹配和改进设计，最终消除了共振现象，且利用该设计方案降低了生产成本。

【关键词】驾驶室悬置；Adams/Vibration；平顺性；振动特性；隔振

【中图分类号】U469.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0075-04

0 引言

驾驶室悬置是影响卡车平顺性的一个极其重要的零部件[1]，目前其结构形式主要有“固定”式和“半浮”式2种：“固定”式[如图1（a）所示]出现在较早的车型中，其驾驶室直接安装在车架上，其悬置系统被设计成硬橡胶垫固定结构，由于悬置的刚度大，阻尼比小，所以会将车辆行驶的振动直接传递到驾驶室[2]。某“固定”式长头牵引车在实际的路况中，行驶速度为70 km/h左右时，驾驶室会出现明显的前后、上下耦合的振动，其频率在5.5 Hz左右时人体较为敏感[3]。“固定”式平顺性能较差，但由于其成本低，在生产中还被较多采用。“半浮”式[如图1（b）所示]目前已被大多数廠家应用，其结构由弹簧或气囊与阻尼减振器组成，隔振效果得到提升[4]。但由于国内卡车设计企业对于该悬置主要以经验设计为主导，或者参考相关竞品车的悬置参数，常使被动悬架与主动悬架匹配不好，所以同样导致隔振效果不理想[5]。

针对长头卡车驾驶悬置的优化设计问题，本文采用多体动力学软件ADAMS中的振动分析模块Vibration，结合车轮径向跳动工况，研究了驾驶悬置的结构形式、参数设置对平顺性的影响，主要包括以下2个方面的内容：？譹？訛对比分析“固定”式与“半浮”式2种结构在平顺性效果上的差异；？譺？訛“半浮”式悬置系统参数对平顺性能的影响，并在此基础上给出了合理的优化设计建议。

1 整车动力学模型建立

汽车震动系统非常复杂，根据汽车理论的研究方法，在建模时需要对系统进行简化[6]。本文研究的长头牵引车结构基本为左右对称结构，由底盘和驾驶室组成：？譹？訛底盘的前、中、后桥均为钢板弹簧非独立悬架，将整车的重量（除驾驶室）分配到各个桥上；？譺？訛驾驶室悬置采用“固定”式和“半浮”式构成二级隔振系统，即驾驶室通过前后左右4组弹簧、阻尼元件与车架相连，MC为驾驶室的质量，建模时还要输入XC、YC、ZC表示驾驶室质心相对于驾驶室两前悬中点的坐标值，IX、IY、IZ 3个方向的转动惯量，Kcfx、Kcfy、Kcfz3个方向的刚度，ζcfx、ζcfy、ζcfz分别为前悬减振器（若无则为橡胶垫的阻尼比），驾驶室后悬的设置同前悬。

通过台架试验及三维设计软件计算得到整车的建模参数，在Adams/View中得到简化后的整车模型（如图2所示）。

2 仿真与分析

2.1 “固定”式与“半浮”式悬置振动特性对比分析

实车振动测试发现，采用“固定”式悬置的驾驶室会在行驶速度为70 km/h左右时出现明显的前后、上下耦合振动，此时车轮转数频率为5.5 Hz，由加速传感器振动电测得到的传递路径频谱分析（如图3所示）可以看到：？譹？訛后桥由于没有阻尼减振器，在Z方向5.5 Hz时，簧上比簧下振动存在明显的放大；？譺？訛在前桥、中桥的驾驶悬置附近，悬置下的车架X方向5.5 Hz的振动很小，但传递到驾驶悬置以上时振动放大较多，同时Z方向也存在较大的振动。由此振动传递路径可看出，后轮5.5 Hz的径向跳动被后板簧系统放大，再经过驾驶室悬置后，振动方向变为前后X方向与上下Z方向的耦合，所以造成人体明显的俯仰振动感觉。

为了更好地从理论上解释上述现象，找到合适的解决方案，本文将分2步进行研究。

第一步，本文对“固定”式和“半浮”式驾驶室悬置模型，在ADAMS/Vibration模块中进行模态分析，2种悬置结构形式的动力学模型如图2所示，悬置参数设置见表1。观察2种结构的模态振型可得到以下结论：？譹？訛在5.5 Hz时，“固定”式驾驶室存在“俯仰运动”的模态振型，产生的该模态是由于“固定”式悬置所采用的橡胶垫结构在X方向上的刚度较小。？譺？訛“半浮”式悬置结构的前悬为内置橡胶衬套的铰链，后悬为“弹簧+阻尼减振器”结构，模态分析结果表明在5.5 Hz时驾驶悬置已经没有了“俯仰运动”振型。所以，对于车轮的径向跳动，“半浮”式的隔振效果优于“固定”式。

第二步，本文还利用Adams/Vibration的受迫振动功能，对比分析“固定”式与“半浮”式驾驶室座椅位置三方向合成的振动加速度在不同激振频率下的响应[7]。即，在后桥车轮加上了周期性的位移激励，模拟后轮的径向跳动，激励函数如下：

D=Asin（2πft+φ）

式中：D为激励位移；A为位移幅值，取2 mm；f为激励频率，范围为0.1～10 Hz，可以模拟115 km/h以下的车轮转数；φ为相位角，取0。

分析图4得到以下结论：？譹？訛在5.7 Hz时，“固定”式有较大峰值，振型为“俯仰”运动。“半浮”式在此频率下无峰值，振型为轻微“前后”运动，说明“半浮”式对车轮径向跳动可以起到有效的隔振作用。？譺？訛在3.0 Hz时，存在第2个峰值，2个模型的振型都是中板簧的垂直振动。从图4中看出“半浮”式由于后悬有减振器，减振效果好。

可见，“半浮”式的减振效果明显优于“固定”式，在满足生产成本的前提下，应优先采用“半浮”式驾驶悬置结构。

2.2 “半浮”式悬置参数影响分析

“半浮”式悬置有“弹簧”和“气囊”2种构件可以选择，有2个问题需要考虑：？譹？訛前者的成本比后者低，但前者的刚度大，平顺性效果不一定能满足要求。？譺？訛悬置的哪些参数对平顺性的影响比较大，该长头车驾驶室悬置的刚度、阻尼、尺寸参数应该怎么取值。所以，下文将结合3种情况，比较悬置中不同的参数对平顺性的影響。

（1）后悬置垂直刚度影响。改变后悬的垂直刚度见表2，其他参数不变（表1中的“半浮”式）。

对3种刚度情况进行受迫振动分析，工况设置同“2.1节”，得到频域下的响应曲线（如图5所示）。

结果表明：？譹？訛后悬刚度增大，平顺性变差。？譺？訛“弹簧”式后悬对应的是“原方案”曲线，“气囊”式后悬对应“垂直刚度减小”曲线，可见，刚度减小到一定程度，平顺性并没有得到很大改进，但是成本增加较多。所以，建议采用“弹簧”式的后悬结构。

（2）前悬径向刚度的影响。“半浮”式的前悬为铰链结构，只用设置径向刚度。改变前悬的径直刚度（见表3），其他参数不变（表1中的“半浮”式）。

按照相同工况，对3种刚度情况进行受迫振动分析，得到频域下的响应曲线（如图6所示）。

结果表明：？譹？訛将前悬径向刚度减小到300 N/mm，与“固定”式的值相同时，会在5.8 Hz左右出现峰值，振型为“俯仰”运动，但由于后悬有减振器，幅值较小。？譺？訛取原方案刚度700 N/mm时，会在8.3 Hz出现一个峰值，振型为“前后”窜动，但幅值较小。？譻？訛将前悬径向刚度增大到1 400 N/mm时，“前后”窜动振型出现在13.5 Hz，对应车速高于160 km/h，所以不会出现前后窜动的现象。建议前悬径向刚度取值大于700 N/mm，后悬减振器的阻尼比取0.3。

（3）前后悬距离的影响。改变前后悬的距离L（见表4），其他参数不变（表1中的“半浮”式）。

按照相同工况，对3种距离进行受迫振动分析，得到频域下的响应曲线（如图7所示）。

结果表明：前后悬距离增大到1 335 mm，在3.0 Hz中桥板簧共振时，隔振效果没有原方案好，而且增加、减小前后悬置要改动驾驶底板结构，成本较高，所以建议维持原方案。

3 结语

通过ADAMS/Vibration模块，对“固定”式与“半浮”式驾驶悬置进行了模态对比分析、受迫振动对比分析发现，“半浮”式驾驶悬置对车轮径向跳动的隔振效果明显优于“固定”式；进一步分析“半浮”式驾驶悬置的刚度、阻尼、尺寸参数时，确定采用后悬“弹簧”式，其刚度取28 N/mm、前悬径向刚度大于700 N/mm、前后悬距离不用改动这个方案，按照这种方式调整生产成本较低，且能够满足平顺性要求，为该车型的定型提供参考。

由于本文的动力学模型没有考虑悬架系统（如板簧、驾驶悬置）的动刚度、阻尼非线性，因此下一步工作将进一步完善模型，用动力学仿真与样车测试相结合的方法来优化整车动力学性能，获得较准确的仿真结果，为该车型正向开发提供依据。

参 考 文 献

[1]赵林峰，胡金芳，张荣芸.重型牵引车驾驶室悬置于悬架参数的集成优化设计[J].中国机械工程，2016，27（6）：791-795，808.

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[7]王辉，盛建平，陈德强.基于ADAMS的电动汽车前悬架多体动力学仿真分析[J].工业控制计算机，2016（6）：94-95.

[责任编辑：钟声贤]