自卸车驾驶室悬置系统试验与优化*

杨辉张瑞亮王铁陈峙陈澔利刘宝乾

（1.太原理工大学；2.大运汽车制造有限公司）

自卸车驾驶室悬置系统试验与优化*

杨辉1张瑞亮1王铁1陈峙1陈澔利2刘宝乾2

（1.太原理工大学；2.大运汽车制造有限公司）

对某自卸车进行道路试验，采集不同速度及路况下的振动信号并进行分析，建立了驾驶室悬置系统多体动力学仿真模型。针对3种典型工况，以前、后悬置弹簧刚度与减振器阻尼为因子,运用ADAMS优化模块对驾驶室悬置参数进行优化，得出3组适合该车型的参数匹配值，并在此基础上应用正交试验技术对这3组值进行再优化，最终确定1组适合3种典型工况的驾驶室悬置最佳匹配值。

1 前言

国内、外企业与高等院校对驾驶室振动舒适性的研究主要集中在通过分析驾驶室振动信号的频率成分、峰值变化规律判断引起剧烈振动的主要部件[1，2]，通过应用多体动力学技术与试验设计技术仿真优化得出驾驶室悬置刚度和阻尼的最佳匹配值来提高乘坐舒适性[3～5]等方面。

本文针对某公司研制的自卸车，应用多体动力学分析方法建立驾驶室悬置模型，并通过平顺性试验验证模型可信性，在此基础上优化得出3组针对不同工况的刚度、阻尼参数，并进一步优化得出1组最佳参数匹配值，为悬置改进提供方法与建议。

2 悬置结构分析

本文研究的驾驶室悬置结构如图1所示。前悬置如图1a所示，由弹簧减振器、中支架、下支架、横向稳定杆等组成；悬置左右对称，中间通过1根横向稳定杆与左右中支架焊接。后悬置如图1b所示，由上支架、中支架、下支架、弹簧减振器、连接杆等组成，其中，弹簧减振器与下支架成一定角度。

3 平顺性试验与分析

结合自卸车常用工况并参照相关国家标准，采集扭曲路面低速行驶、碎石路面中速行驶、平坦路面高速行驶工况下的驾驶室地板与悬置机构下点加速度振动信号并进行分析。

3.1 试验过程

a.满载情况下测试

样车装载规定量的石块，布置并连接左前、左后悬置下点传感器以及驾驶室地板传感器。测试中，要求在扭曲路段车速保持在5～10 km/h，碎石路段车速保持在20～30 km/h，平坦路段车速保持在40～50 km/h。测试3圈结束后，查看信号，确保信号无异常波段后结束。

b.空载情况下测试

卸掉石块，调试好设备后再次进行样车测试，测试路段和测试车速与满载情况相同。

3.2 数据处理

参照GB/T 4970-2009汽车平顺性试验方法，采用MATLAB对驾驶室地板的加速度信号进行加权加速度均方根值与加权振级计算，结果如表1所示。通过对3种工况下的数值对比可以发现，除满载扭曲路段低速行驶的驾驶室内部主观感受没有不舒适外，剩下的路况与车速下驾驶室内部主观感受均处于不舒适区间；相同测试条件下，空载驾驶室主观感受舒适性均比满载差；3种工况下碎石路面中速行驶时的舒适性最差。通过与同类车型比较可知，该款自卸车的驾驶室舒适性较差。

表1 驾驶室地板处加速度加权均方根值对比

4 仿真与试验验证

4.1 悬置模型建立

采用ADAMS交互式建模，首先在CATIA软件中建立驾驶室与悬置系统模型，然后导入到ADAMS/ VIEW模块中，对于驾驶室质量、悬置刚度、阻尼等参数根据生产厂商提供的数据分别输入。对各个部件施加约束，其中，驾驶室作为刚体考虑，横向稳定杆利用FLEX柔性体模块离散化成8根梁，梁与梁之间由6分力连接，悬置系统中的铰接部件分别采用球副、万向节副等连接，悬置下方采用激振块代替车架。驾驶室悬置多刚体动力学仿真模型如图2所示。模型建立后通过静力校验与自由度验证，确保了模型的静力平衡。

4.2 悬置试验验证

以空载时3种工况下采集的加速度信号为仿真模型振动输入，将时域信号转换成频域下的加速度功率谱密度曲线PSD导入ADAMS。由于悬置只对机构上、下连接处的垂向振动有较大影响[6]，因此仿真试验主要针对垂向进行分析。

在ADAMS仿真模型中以悬置系统的4个激振块代替车架作为信号的输入点，以驾驶室驾驶员座椅下方地板处为输出点，应用ADAMS/Vibration模块进行仿真分析，其中振动计算初始频率与终止频率分别设置为0.1 Hz和60 Hz，仿真步数设置600步，绘出仿真输出曲线与试验曲线对比如图3所示，由于15 Hz以后的振动曲线幅值不大，因此曲线图截止到15 Hz。

从图3中对比可得，试验曲线与仿真曲线在曲线振型与对应频率上比较接近，两曲线最大峰值对应的幅值如表2所示，误差保持在21%以内，说明模型具有一定可信性，可以用来进行样车的动态特性仿真优化。

表2 试验与仿真PSD对比

5 模型参数优化设计

5.1 典型工况分别优化

从图3可以得出，3种工况下的驾驶室地板垂向PSD曲线波峰幅值都较大，为了降低驾驶室地板垂向最大波峰的幅值，运用ADAMS优化模块分别进行3种工况下的驾驶室悬置参数优化设计。以驾驶室地板波峰最大幅值的最小化为优化目标，其中初始与终止计算频率设置为0.1 Hz和20 Hz，仿真步数设置200步，以驾驶室前、后悬置点的刚度与阻尼共4个设计变量为试验因子，建立试验因子的约束条件，其中弹簧刚度水平选取范围为30～90 N/mm，减振器阻尼水平选取范围为3～9 N·s/mm。

优化后的驾驶室地板垂向PSD曲线如图4所示，可知3种不同工况下优化后的目标值分别下降了36.7%、31.2%、32.6%，具体优化目标值以及对应的刚度、阻尼值如表3所示。

5.2 DOE方法整体优化

通常自卸车的行驶路况是由扭曲、碎石及平坦路面等互相叠加组成，因此需要对上述3组优化值进行整合，得到1组适用于3种典型工况的最佳优化值。

应用试验设计技术DOE进行再次优化，以驾驶室地板垂向最大幅值的最小化为优化目标，以前述得到的3组刚度、阻尼优化值为试验因子，组成4个因子、3个水平、9次试验的L9（34）正交表进行优化，优化迭代曲线如图5所示，优化后的最佳刚度、阻尼值如表4所示。

表3 优化结果

表4 再次优化后的刚度阻尼值

对比优化前、后空载与满载时3种路况叠加下的驾驶室地板垂向PSD曲线如图6所示，曲线幅值有明显下降，其中空载工况最大幅值下降37.1%，满载工况最大幅值下降22.9%。

6 结束语

采用ADAMS优化模块，以驾驶室地板垂向波峰幅值最小化为优化目标，以4个悬置的刚度、阻尼为设计变量，得到1组适合不同工况的最佳匹配值。从优化结果可以看出，驾驶室地板垂向最大振幅有明显降低。

从优化前、后的地板PSD曲线可以得出，调整悬置刚度、阻尼参数虽不能彻底消除驾驶室地板振动的波峰，但能够很好地削弱波峰振幅，为下一步的改进设计提供了参考依据。

1 刘建娅，李舜酩，张袁元，安木金.某型卡车驾驶室横向摆动的分析研究.机械科学与技术，2011，30（4）：579～581.

2 孙加平，张袁元，李舜酩，刘建娅.某重型卡车驾驶室振动测试与诊断.机械设计与制造，2010，9：213～215.

3 陈静，曹晓琳，王登峰，张斌，李玉生.重型商用车驾驶室空气悬置系统的匹配优化.吉林大学学报，2009，39（5）：1125～1129.

4 王楷炎.商用车驾驶室悬置系统动力学仿真、优化与试验研究：[学位论文].长春：吉林大学，2008.

5 P.Lemerle,P.Boulanger,R.Poirot.A simplified method to design suspended cabs for counterbalance trucks.Journal of Sound and Vibration.2002.253（1）:283～293.

6 张兰，曾佳.红岩金刚车全浮式驾驶室悬置设计分析.北京汽车，2010（5）：12～16.

7 王铁，高昱，申晋宪.水罐消防车操纵稳定性与平顺性的仿真优化.汽车工程，2012，34（12）：1114～1118.

8 彭朝晖.重型自卸车平顺性仿真分析及优化：[学位论文].太原：太原理工大学，2013.

9 刘道东，王铁，高昱，李海林.汽车整车性能评价方法的研究.机械科学与技术，2012，31（3）：379～383.

10 彭朝晖，王铁，申晋宪，李直，王景新.基于ADAMS的矿用自卸车建模与平顺性仿真.矿山机械，2013，41（3）：44～47.

11 申可生.商用车驾驶室空气悬置系统仿真分析与优化匹配：[学位论文].长春：吉林大学，2011.

12 李海林，王铁，申晋宪，刘珍.被动空气悬架导向机构仿真与优化.机械传动，2012，6（2）：50～52.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年12月1日。

Test and Optimization of Dump Truck Cab Suspension System

Yang Hui1,Zhang Ruiliang1,Wang Tie1,Chen Zhi1,Chen Haoli2,Liu Baoqian2
（1.Taiyuan University of Technology；2.Shanxi Dayun Automobile Manufacture Co.Ltd）

In this research,road test is conducted for a dump truck and the vibration signals under different speed and road conditions are acquired and analyzed,and a multi-body dynamics simulation model is established for the cab suspension in ADAMS.For the three typical conditions,ADAMS optimization module is applied for parameters optimization of the cab suspension system with stiffness of the front and rear suspension spring and the damping as test factors,to obtain three groups of parameter matching values suitable for this model.And on this basis,orthogonal test technology is used for re-optimization of these three groups of values.Finally the paper determines a group of optimal matching values suitable for three different conditions of the truck.

Dump truck,Cab suspension,NVH,ADAMS,Optimization

自卸车 驾驶室悬置系统 NVH ADAMS 优化

U463.81

A

1000-3703（2015）02-0004-04

山西省自然科学基金项目资助，项目名称：基于用户使用条件的典型工况重型自卸车燃油经济性分析（2012011024-2）。