重型货车驾驶室悬置参数的优化与匹配分析

汤少岩

（1.山东理工大学，山东 淄博 255022 ；2.烟台汽车工程职业学院，山东 烟台 265500）

重型货车驾驶室悬置参数的优化与匹配分析

汤少岩1,2

（1.山东理工大学，山东 淄博 255022 ；2.烟台汽车工程职业学院，山东 烟台 265500）

重型货车行驶的路况较差，而且大功率发动机的振动较大，对驾驶员的乘坐舒适性造成很大影响。为了解决货车驾驶室振动较大的问题，提高驾驶室悬置系统的减振性能，文章在仿真软件Simulink中建立了货车驾驶室悬置系统模型，分析路面不平度对货车驾驶室造成的影响，并利用MATLAB优化工具箱，对驾驶室悬置参数进行优化匹配设计。优化后，驾驶室内座椅处垂直方向的加速度均方根值下降了13.74%，俯仰角加速度均方根值下降了12.37%。从优化的结果来看，重型货车驾驶室的悬置系统的减振性能有所提高，乘坐舒适性得到一定的改善。

货车；驾驶室悬置；参数优化；乘坐舒适性

CLC NO.: U461.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-190-03

前言

重型货车是我国主要的交通运输工具之一，在国民经济中有着举足轻重的地位。但是，对重型货车的研究主要集中在燃油经济性以及其承载能力，乘坐舒适性较少得到车企以及市场的重视。而随着国民经济的飞速发展，人们生活水平的提高，驾驶人员对工作的环境也要求越来越高。舒适的驾驶环境，能够保证驾驶员的生理和心理感觉处于良好的水平，有利于提高货车的驾驶安全性以及运输的效率。

影响货车驾驶室乘坐舒适性的因素很多，例如驾驶室的平顺性、车厢空调性能、驾驶座椅等，其中影响最大的即是平顺性性能，而驾驶室的平顺性主要取决于悬置系统的刚度和阻尼。本文则主要从优化驾驶室悬置参数的角度去探讨和研究改善乘坐舒适性的方法，然后通过MATLAB优化工具箱重新优化匹配了驾驶室悬置系统的参数，改善驾驶室的乘坐舒适性。

1、全浮式驾驶室悬挂系统

研究货车驾驶室的平顺性时，一般把系统简化成集中质量—弹簧—阻尼的模型，如图1所示。货车驾驶室悬置系统是一个多自由度的复杂系统，简化后的驾驶室模型既能较为准确的模拟质心加速度和速度的变化，又能很好的模拟驾驶室绕其质心轴的俯仰角加速度和角速度的变化，最大的优势就是结构较为简洁，通过驾驶室模型的仿真模型所得的结论，具有准确性高、应用性强的特点。

建立驾驶室的简化模型时，我们作以下假设：

（1）驾驶室为刚体，考虑驾驶室侧倾、俯仰振动、垂直的影响，而不考虑其它的影响；

（2）驾驶室俯仰、侧倾角不大的情况下，悬置质量质心的振动很小；

（3）不考虑汽车动力总成的影响因素。

图1 全浮式驾驶室悬置系统模型

2、驾驶室悬置系统仿真模型的建立

驾驶室四个支撑点处的垂向位移的关系为：则驾驶室车身座椅处的垂向运动方程为：

驾驶室质心处的俯仰运动方程为：

驾驶室侧倾运动方程为：

根据方程1-7，在Simulink软件中建立驾驶室的仿真模型，如图2所示。

图2 驾驶室悬置系统仿真模型

3、驾驶室悬置参数的优化匹配

本文研究中所采用的某型货车，主要使用的参数包括货车驾驶室的质量以及驾驶室悬置系统的螺旋弹簧的刚度和减振器的阻尼比，其主要参数如表1所示。

表1 某型货车驾驶室主要性能参数

人体垂直方向上的加速度和车身俯仰角速度是衡量汽车平顺性的主要指标。此外，限位行程影响着悬置系统的动挠度，必须合理匹配，如果不匹配，驾驶室和车架就会相撞，影响乘坐舒适性，平顺性较差。在考察平顺性过程中，要统计计算振动模型三个参数，以利于评价和选择悬挂系统的设计参数。

汽车振动分析的目的就是要降低车辆在行驶过程中的振动，得到驾驶室悬置系统减振器的阻尼特性，以便能对悬置及减振器进行优化设计，使得悬置系统达到最佳减振效果。从前面分析可知，对汽车平顺性起决定性的因素是悬置刚度和阻尼。接来下我们将详细探讨最佳阻尼比和悬置刚度的组合，以使货车驾驶室平顺性达到最佳。

优化的主要指标是人体垂直加速度、俯仰角速度和悬挂动挠度尽可能的小，因此取这三个量的均方根作为目标函数的目标值。对于货车驾驶室，悬挂的静挠度一般在140mm以内，因此，悬挂的刚度必须达到这个要求范围。此外，为了减少驾驶室和车架相撞，必须保证悬挂动挠度的均方根值限定在要求的范围内。所以，将悬挂的挠度值作为优化程序的约束函数。取优化的初始值为[1，0.35]，变量分别是驾驶室的固有频率和悬架的阻尼比，其范围分别为[0，3]、[0.2，0.5]。

经过MATLAB优化工具箱优化，前悬置刚度取为127.4 N*mm-1，后悬置刚度41.8 N*mm-1，前悬置减振器阻尼比为0.22，后悬置减振器阻尼比为0.28，优化前后驾驶室垂直加速度和俯仰角速度曲线分别如图3和图4所示。

图3 驾驶室垂直方向的加速度

图4 驾驶室俯仰角速度的加速度

4、结论

驾驶室座椅处人体垂直加速度的均方根值优化前是0.1879 m/s2，优化后的垂直加速度均方根值为0.1628 m/s2，减少了13.74%；优化前驾驶室俯仰角加速度为0.2668 rad/s2，优化后俯仰角加速度为0.2328 rad/s2，减少了12.37%。

从图3和图4也可以看到，优化后的垂直方向的加速度曲线和俯仰角加速度曲线均明显的低于优化前，优化后的驾驶室垂直角加速度值和俯仰角加速度值均取得可观的改善，这也就是说，车身传递到驾驶室的振动经过悬置系统，能量得到一定的衰减，驾驶室的悬置系统起到了较好的减振效果。对比原悬置匹配参数，新驾驶室在优化后的参数组合下，减振效果较好，驾驶室的平顺性得到有效的改善。

[1] 周长城. 汽车平顺性与悬架系统设计[M].机械工业出版社,2011,37-40.

[2] 刘进伟,吴志新,徐达.基于ADAMSCAR的某轿车悬架优化设计[J]. 轻型汽车技术.2006，204(8)：4-8.

[3] 汪随风,刘竞一,邓日青. 基于ADAMS的双横臂独立悬架的仿真分析及优化设计[J]. 湖北汽车工业学院学报，2007，21(2)：14-15.

[4] 王有智,王仕达,殷承良. 载重汽车驾驶室悬置设计[J]. 汽车科技.1993.(5)：6-10.

[5] 郭利. 重型卡车驾驶室舒适性的优化设计[J]. 现代制造工程.2007. (4)：130-133.

[6] 李鹏飞,马力,何天明. 商用车驾驶室悬置隔振仿真研究 [J]. 汽车工程.2005，(6)：740-743.

Optimizing of Matching Analysis of Suspension Parameters of Truck

Tang Shaoyan1,2
( 1. Shandong University of Technology, Shandong Zibo 255022; 2. Yantai Automobile Engineering Professional College, Shandong Yantai 265500 )

The road condition of heavy trucks is poor and the vibration of high-power engine is serious, which has caused a great impact on the driver's ride comfort. .In order to solve the problem of large truck cabin vibration; improve the damping performance of cab suspension system, based on the simulation software Simulink in the truck cab suspension system model is established, the analysis of the effect of road roughness on truck cabin, and by using the MATLAB optimization toolbox, suspension parameters optimization matching of cab design. After optimization, the driving seat in the vertical direction of the acceleration root mean square value dropped by 13.74%, pitching Angle acceleration root mean square value dropped by 12.37%.From the perspective of the result of optimization, the heavy truck cab suspension vibration isolation performance of the system, some improved ride comfort.

Truck; Cab suspension; Parameter optimization; Vehicle ride comfort

U461.4

A

1671-7988 (2017)10-190-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.066

汤少岩，讲师，就职于烟台汽车工程职业学院，汽车制造工程系，研究方向：汽车悬架及悬置系统。