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互聯(lián)空氣懸架對(duì)整車(chē)振動(dòng)性能的影響

2019-05-14 11:00:30·  來(lái)源：《江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)》  作者：張?jiān)?，周孔亢，錢(qián)寬  
　
摘要：以互聯(lián)空氣懸架為研究對(duì)象，通過(guò)搭建整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)架研究不同互聯(lián)模式下車(chē)身加速度頻率響應(yīng)，綜合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，建立集成非互聯(lián)、橫
摘要：以互聯(lián)空氣懸架為研究對(duì)象，通過(guò)搭建整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)架研究不同互聯(lián)模式下車(chē)身加速度頻率響應(yīng)，綜合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，建立集成非互聯(lián)、橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)的互聯(lián)空氣懸架整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，仿真研究互聯(lián)模式對(duì)車(chē)身固有頻率的影響，從頻域和時(shí)域2方面研究互聯(lián)模式在C 級(jí)路面，車(chē)速為60 km·h － 1工況下的車(chē)身加速度響應(yīng)規(guī)律． 結(jié)果表明: 與非互聯(lián)模式相比，互聯(lián)空氣懸架車(chē)輛在正弦對(duì)扭激勵(lì)下，前左簧上質(zhì)量加速度均方根值在中低頻為0.5 ～ 7.0 Hz 時(shí)均有不同程度的改善，橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)模式能降低側(cè)傾角固有頻率，縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)能降低俯仰角固有頻率，在隨機(jī)路面激勵(lì)下3 種互聯(lián)模式下乘坐舒適性均得到提升。

關(guān)鍵詞：空氣懸架; 互聯(lián)模式; 臺(tái)架試驗(yàn); 仿真分析; 振動(dòng)性能

互聯(lián)空氣懸架作為一種新型半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)懸架側(cè)傾剛度和俯仰剛度的可控，有效協(xié)調(diào)車(chē)輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，在發(fā)揮傳統(tǒng)空氣懸架優(yōu)越特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展了懸架系統(tǒng)性能。

目前，互聯(lián)空氣懸架已由澳大利亞的Haire 懸架廠商在重型卡車(chē)底盤(pán)上投入運(yùn)用，在路虎第3 代攬勝L322 上也得到相關(guān)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)學(xué)術(shù)研究，文獻(xiàn)［1］建立基于三軸半掛貨車(chē)的3個(gè)空氣彈簧互聯(lián)的數(shù)學(xué)模型并根據(jù)氣壓和彈簧力進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建模型具有良好的可靠性。文獻(xiàn)［2］通過(guò)試驗(yàn)得出，增大重型貨車(chē)縱向互聯(lián)管路內(nèi)徑能有效改善車(chē)軸對(duì)底盤(pán)施加的動(dòng)載荷及車(chē)輛其他動(dòng)態(tài)參數(shù)，并采用懸架力相關(guān)度系數(shù)和t 檢驗(yàn)3 種分析技術(shù)來(lái)確定懸架動(dòng)載荷分配與增大縱向互聯(lián)管路內(nèi)徑之間的因果關(guān)系［3］。文獻(xiàn)［4－5］建立三軸半掛拖車(chē)縱向互聯(lián)空氣懸架模型并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，分析路面、車(chē)速和載荷等行駛工況和連接管路內(nèi)徑等懸架參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)載荷分配和路面友好性的影響機(jī)理。文獻(xiàn)［6］搭建橫向互聯(lián)空氣懸架動(dòng)態(tài)特性測(cè)試臺(tái)架，研究了簧上質(zhì)量加速度、車(chē)身側(cè)傾角、側(cè)傾角加速度的頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)［7］通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)四角互聯(lián)空氣懸架能有效提升車(chē)輛隔振性能，并消除車(chē)身所受扭轉(zhuǎn)載荷。上述研究都集中在互聯(lián)空氣彈簧建模以及單種互聯(lián)模式的互聯(lián)空氣懸架方面，而對(duì)于互聯(lián)空氣懸架多種互聯(lián)模式性能之間的對(duì)比研究仍未涉及。

筆者通過(guò)搭建互聯(lián)空氣懸架試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)研究不同互聯(lián)模式車(chē)身加速度頻率響應(yīng)，建立集成非互聯(lián)、橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，研究不同互聯(lián)模式對(duì)車(chē)身固有頻率和車(chē)輛在隨機(jī)路面下車(chē)身加速度響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)概述


ECU 根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前行駛工況和懸架位置處傳感器信息來(lái)控制管路中電磁閥的狀態(tài)，使互聯(lián)空氣懸架處于最佳的互聯(lián)模式，以適應(yīng)復(fù)雜行駛工況。

圖1 互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)示意圖

2 互聯(lián)空氣懸架整車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)

為直觀地分析互聯(lián)空氣懸架對(duì)整車(chē)振動(dòng)性能的影響，將通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究分析。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架的搭建

以某轎車(chē)骨架車(chē)為基礎(chǔ)搭建互聯(lián)空氣懸架整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)架，采用Bilstein 一體式空氣彈簧減振支柱，用裝有手動(dòng)閥的氣動(dòng)管路將相鄰空氣彈簧互聯(lián)以切換不同互聯(lián)模式。在臺(tái)架前左位置處安裝三軸加速度傳感器監(jiān)測(cè)前左車(chē)身垂向、側(cè)向和縱向加速度，此處加速度能較好反映駕駛員位置處的乘坐舒適性。采用LMS SCADAS 多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器信息，通過(guò)MTS320 型四通道道路模擬給四輪施加激勵(lì)，所搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖2 所示。

圖2 整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 車(chē)身加速度頻率響應(yīng)分析

考慮到道路模擬機(jī)承載限制，對(duì)整車(chē)施加振幅為15 mm，頻率為0．5 ～ 7．0 Hz，間隔0．25 Hz 的四輪正弦掃頻激勵(lì)，左右輪相位差為180°，前后輪相位差為90°，考察在正弦對(duì)扭激勵(lì)下前左車(chē)身加速度頻率響應(yīng)特性，結(jié)果如圖3－5 所示。

從圖3 可以看出: 與非互聯(lián)模式相比，除某些局部頻率處，橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)下的前左車(chē)身垂向加速度在0．5 ～ 7．0 Hz 頻率范圍內(nèi)都有所降低，四角互聯(lián)和縱向互聯(lián)模式下效果較好，有7%左右的改善率。

圖3 垂向加速度頻率響應(yīng)

從圖4，5可以看出: 對(duì)于側(cè)向加速度和縱向加速度這2 種水平方向的加速度，與非互聯(lián)模式相比，在小于1．6 Hz 的低頻范圍內(nèi)，其余3 種互聯(lián)模式下的加速度都有5% ～ 20%的降低，在0．5 ～ 2．0 Hz 的人體水平加速度敏感區(qū)間總體表現(xiàn)良好; 在3．0 ～7．0 Hz 的中高頻率范圍內(nèi)，除了在某些局部頻率附近，側(cè)向和縱向加速度分別有5% 和10% 左右的改善?？傮w而言，與非互聯(lián)模式相比，橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)下的前左車(chē)身加速度均有不同程度的降低，有效抑制在人體加速度敏感區(qū)間的響應(yīng)值，改善了駕駛員位置處的乘坐舒適性，其中四角互聯(lián)模式的綜合改善效果最好，體現(xiàn)了互聯(lián)空氣懸架在較寬的頻率區(qū)間內(nèi)的良好減振性能。

圖4 側(cè)向加速度頻率響應(yīng)

圖5 縱向加速度頻率響應(yīng)

3 互聯(lián)空氣懸架車(chē)輛振動(dòng)性能仿真
 
為進(jìn)一步研究多種互聯(lián)模式對(duì)其他性能指標(biāo)的影響，將通過(guò)仿真分析不同互聯(lián)下的互聯(lián)空氣懸架對(duì)車(chē)身固有頻率和隨機(jī)路面下車(chē)身加速度響應(yīng)的影響規(guī)律。

3.1 互聯(lián)空氣懸架整車(chē)模型的建立

為反映整車(chē)振動(dòng)特性，采用7 自由度整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，懸架部分用懸架力來(lái)表示，如圖6 所示。

圖6 互聯(lián)空氣懸架整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型示意圖



互聯(lián)空氣懸架可根據(jù)上述管路質(zhì)量流量狀態(tài)進(jìn)一步分為4 種模式，具體如表1 所示。
 
表1 互聯(lián)模式的分類(lèi)

3.2 互聯(lián)模式對(duì)車(chē)身固有頻率的影響

考慮到車(chē)身垂向振動(dòng)和俯仰角振動(dòng)間存在耦合關(guān)系，分別對(duì)互聯(lián)空氣懸架車(chē)輛施加整車(chē)四輪階躍激勵(lì)、前輪階躍激勵(lì)以及左側(cè)車(chē)輪階躍激勵(lì)［10］，分別采集簧上質(zhì)量垂向、俯仰角和側(cè)傾角加速度信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的頻譜分析，如圖7－9 所示，功率譜密度曲線中峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為其固有頻率。

圖7 垂向加速度頻譜圖

圖8 俯仰角加速度頻譜圖

圖9 側(cè)傾角加速度頻譜圖

從圖7 可以看出: 與非互聯(lián)模式相比，橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)下的垂向固有頻率不發(fā)生變化，說(shuō)明這3 種互聯(lián)模式均不影響車(chē)身質(zhì)心垂向固有頻率，這是由于整車(chē)四輪階躍激勵(lì)下3 種互聯(lián)模式下的空氣彈簧間并未產(chǎn)生氣體交換，等效成為非互聯(lián)模式。

從圖8，9 可以看出: 與非互聯(lián)模式相比，橫向互 聯(lián)狀不改變俯仰角固有頻率，但縱向互聯(lián)和四角互 聯(lián)下的俯仰角固有頻率值都降低63.3%；縱向互聯(lián) 不改變側(cè)傾角固有頻率，但在橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)狀態(tài)下的側(cè)傾角固有頻率值都降低24.2%。

3.3 隨機(jī)路面響應(yīng)分析


表2 不同互聯(lián)模式下車(chē)身加速度均方根值

從圖10 可以看出: 橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角 互聯(lián)這3 種互聯(lián)模式下的垂向加速度功率譜密度與 非互聯(lián)模式相比基本一致，說(shuō)明不同互聯(lián)模式基本 不影響車(chē)輛質(zhì)心處的垂向加速度。

圖10 質(zhì)心垂向加速度幅頻特性

從圖11 可以看出: 非互聯(lián)和橫向互聯(lián)下的俯仰角加速度功率譜曲線一致，而縱向互聯(lián)與四角互聯(lián)下的俯仰角加速度功率譜曲線重合。與非互聯(lián)和橫向互聯(lián)模式相比，縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)下的車(chē)輛質(zhì)心處俯仰角加速度功率譜密度在低于4．7 Hz 頻率范圍內(nèi)要小，有效抑制了俯仰角加速度在中低頻率范圍內(nèi)成分，而在高于4． 7 Hz 頻率范圍內(nèi)基本相同; 這說(shuō)明橫向互聯(lián)不影響車(chē)輛質(zhì)心俯仰角加速度，而縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)能改善在中低頻范圍內(nèi)的平順性，但不影響較高頻率范圍內(nèi)的平順性。

圖11 質(zhì)心俯仰角加速度幅頻特性

從圖12 可以看出: 非互聯(lián)和縱向互聯(lián)下的側(cè)傾角加速度功率譜曲線一致，而橫向互聯(lián)與四角互聯(lián)下的俯仰角加速度功率譜曲線重合。與非互聯(lián)和縱向互聯(lián)模式相比，橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)下的側(cè)傾角加速度功率譜密度在低于5．8 Hz 頻率范圍內(nèi)要小，有效抑制了側(cè)傾角加速度在中低頻率范圍內(nèi)成分，而在高于5．8 Hz 頻率范圍內(nèi)曲線基本重合; 這說(shuō)明縱向互聯(lián)不影響車(chē)輛質(zhì)心側(cè)傾角加速度，而橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)能改善在中低頻范圍內(nèi)車(chē)輛質(zhì)心側(cè)傾角加速度，但不影響較高頻率范圍內(nèi)的平順性。

圖12 質(zhì)心側(cè)傾角加速度幅頻特性

從圖13 可以看出: 與非互聯(lián)模式相比，橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)這3 種模式在0．1 ～ 0．3 Hz的低頻段和2．3 ～ 5．8 Hz 的中頻段內(nèi)均降低了前左車(chē)身垂向加速度功率譜密度，其中四角互聯(lián)下的功率譜密度值最低，尤其在2．8 Hz 的峰值處，加速度功率譜密度降幅達(dá)36． 1%，而在5．8 ～ 20．0 Hz 的較高頻范圍內(nèi)，4 種互聯(lián)模式下垂向加速度功率譜密度基本一致。

圖13 前左車(chē)身垂向加速度幅頻特性

從表2 可以看出: 與非互聯(lián)模式相比，橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)模式基本不影響質(zhì)心處垂向加速度，縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)模式可降低4．5%左右的俯仰角加速度，橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)模式可降低約10．2%的側(cè)傾角加速度，橫向、縱向、四角互聯(lián)模式下的前左車(chē)身加速度分別有3．6%，4．5%，8．0%的改善，總體而言四角互聯(lián)模式下各車(chē)身加速度改善效果最佳，橫向互聯(lián)和縱向互聯(lián)模式則對(duì)降低側(cè)傾角加速度和俯仰角加速度有各自的優(yōu)勢(shì)，上述時(shí)域分析結(jié)論與前文頻域研究分析相印證。

4 結(jié)論
 
1) 在正弦對(duì)扭激勵(lì)下，橫向、縱向和四角互聯(lián)模式下的前左簧上質(zhì)量加速度均方根值在頻率為0．5 ～ 7．0 Hz 范圍內(nèi)均有不同程度的改善，其中四角互聯(lián)模式減振效果最佳，體現(xiàn)了互聯(lián)空氣懸架在中低頻率區(qū)間內(nèi)的良好隔振特性。

2) 四種互聯(lián)模式下的垂向固有頻率基本相同，橫向互聯(lián)和四角互聯(lián)模式能降低24．2% 的側(cè)傾角固有頻率，但不改變俯仰角固有頻率，縱向互聯(lián)和四角互聯(lián)能大幅降低63．3% 的俯仰角固有頻率，但不改變側(cè)傾角固有頻率。

 
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