(已用)重型載貨車乘坐舒適性與穩(wěn)定性評(píng)估

1、 重型載貨車乘坐舒適性與穩(wěn)定性評(píng)估 前言 汽車舒適性與穩(wěn)定性是汽車主觀評(píng)估方面的兩個(gè)最重要的因素。在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，乘坐舒適性與汽車穩(wěn)定性之間有個(gè)制衡關(guān)系。汽車的駕乘舒適性指的是影響乘員舒適或不舒適感知的振動(dòng)。汽車駕乘舒適性分析被用于懸架設(shè)計(jì)，以確保乘員不舒適感不超過某一程度。在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)中，有兩個(gè)確定懸架性能的基本元件，這兩個(gè)元件是彈簧和減振器。彈簧在汽車懸架系統(tǒng)的作用是儲(chǔ)存能量和支撐汽車的靜態(tài)重量；減振器在汽車懸架系統(tǒng)的作用是消除振動(dòng)能量，控制傳輸給汽車的道路輸入。 業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了很多以改善汽車駕乘動(dòng)態(tài)和操控性為最終目標(biāo)的研究，如有關(guān)被動(dòng)懸架、半主動(dòng)、主動(dòng)懸架的研究工作。某些研究主要

2、關(guān)注懸架設(shè)計(jì)，如有關(guān)機(jī)構(gòu)研究了麥弗遜滑柱式懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，麥弗遜滑柱式懸架常用于小型/中型轎車。有機(jī)構(gòu)應(yīng)用ADAMS多車身動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境將汽車前懸架作為獨(dú)立裝置模擬。這一模型承受懸架壓縮與復(fù)原之間全程的縱向運(yùn)動(dòng)。這一分析的輸出提供主要幾何量，例如車輪外傾角、主銷縱傾角、主銷傾角和轉(zhuǎn)向角的變化、汽車軌跡改變，以及側(cè)傾中心高度偏移和換算到車輪處的懸架剛度。 業(yè)界在定義乘坐舒適性限值方面也進(jìn)行了許多研究，這些研究包括振動(dòng)試驗(yàn)和乘坐模擬試驗(yàn)。這些方法嘗試建立試驗(yàn)對(duì)象對(duì)舒適區(qū)和不舒適區(qū)的反應(yīng)，以及振動(dòng)參數(shù)（如位移、速度、加速度）之間的聯(lián)系。汽車具有良好的駕乘性，人體的自然頻率為1Hz。汽車在給定道路上以

3、恒定速度行駛時(shí)，汽車駕乘性評(píng)估通過對(duì)加速度頻譜的研究就能達(dá)成。推薦的駕乘性均方根是平穩(wěn)駕乘性為00.04g，中等駕乘性為0.04g0.06g，差等駕乘性為0.06g以上。 一般情況下，駕乘舒適性好的汽車的懸架系統(tǒng)縱向剛度相對(duì)低，但縱向剛度低會(huì)損失操控特性，良好操控特性要求懸架系統(tǒng)的縱向剛度高。為解決這一相互制衡的關(guān)系，汽車業(yè)推出了獨(dú)立懸架、可調(diào)系統(tǒng)和主動(dòng)元件。因此，設(shè)計(jì)階段使用計(jì)算機(jī)模擬懸架特性有助于懸架系統(tǒng)優(yōu)化。因此，本文給出了利用多車身動(dòng)態(tài)軟件包ADAMS開發(fā)的重型載貨車模型。進(jìn)行了充氣式單管減振器軟/硬模式的試驗(yàn)，以研究各種速度下，它對(duì)汽車乘坐舒適性和穩(wěn)定性的影響。 圖1 重型載貨車模型

4、1 整車模型 圖1中給出的重型載貨車模型有6個(gè)自由度：車身跳動(dòng)與俯仰和4個(gè)簧下質(zhì)量跳動(dòng)。該載貨車模型包括7個(gè)部分（不包括地面、載貨車車身、4個(gè)車輪、前橋、后橋和4個(gè)道路激勵(lì)裝置）。汽車車身代表簧上質(zhì)量，其重要特征是慣性（重心、質(zhì)量和慣性部件）。試驗(yàn)中經(jīng)常用到這些部件?；上沦|(zhì)量包括一套子系統(tǒng)、前橋和后橋、4個(gè)車輪。該模型還包括前后懸架和道路狀況。 在這一模型中，載貨車是靜止的，道路是移動(dòng)的。利用4個(gè)不規(guī)則的鼓輪，將垂直運(yùn)動(dòng)傳遞給模型，如圖1（b）所示，通過4個(gè)旋轉(zhuǎn)連接，這些鼓輪與地面相連接。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用給每個(gè)連接以轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪進(jìn)行一系列垂直運(yùn)動(dòng)，這相當(dāng)于車輪在完全壓縮和完全回彈位置之間移動(dòng)。 圖2

5、道路輸入情況2道路輸入 用4個(gè)不規(guī)則的鼓輪激起道路輸入，生成道路概況，模擬光滑路面或粗糙路面（100mm跳動(dòng)），如圖2所示。汽車速度計(jì)算要么應(yīng)用給傘齒輪速度和半徑，要么應(yīng)用給兩軸之間的軸距和時(shí)間滯后（參見附錄）。3 減振器試驗(yàn) 充氣單管減振器的動(dòng)態(tài)特性在兩種模式之間轉(zhuǎn)換，利用圖3中所示的MTS850減振器測試系統(tǒng)，利用試驗(yàn)研究了軟、硬兩種模式。 試驗(yàn)輸入是正弦位移，頻率為2Hz，振幅為80mm。兩種模式（軟/硬）時(shí)，減振力隨速度的變化見圖4。這些試驗(yàn)結(jié)果如圖4（c）所示，并利用ADAMS中的“仿樣”命令語句將之輸入車輛模型，以研究減振器特性對(duì)車輛駕乘性和穩(wěn)定性的影響。 4 整車模型模擬研究 圖

6、1中給出的重型載貨車模型在不同速度下（112km/k、58km/h、28km/h）持續(xù)模擬5S和5000步，試驗(yàn)道路概況如圖2所示。動(dòng)態(tài)分析提供模型中所有位移、速度、加速度、中間反應(yīng)力以及俯仰角隨時(shí)間變化的情況。 表1給出了模擬中使用的汽車參數(shù)。其中考慮了兩種模式（軟/硬）適用的試驗(yàn)減振器特性。 表1 汽車參數(shù)彈簧質(zhì)量12000kg前部簧下質(zhì)量900kg后部簧下質(zhì)量1000kg前懸架剛度25kN/m后懸架剛度40kN/m前、后輪胎剛度170 kN/m前、后輪胎阻尼0.7 kN.s/m 圖4 減振力隨速度的變化情況5 結(jié)果 當(dāng)汽車以112 km/h速度在光滑平路上行駛時(shí)（見圖2（a），單管減振器

7、兩種模式汽車位移、加速度隨時(shí)間的變化如圖5（a）和5（b）所示。汽車速度為56 km/h時(shí)，汽車位移與加速度隨時(shí)間的變化見圖6（a）和6（b）。在圖5（b）中，使用硬模式，車身最大加速度的絕對(duì)值為2161.2mm/s2，加速度的均方根為472.3；利用軟模式，車身最大加速度為552.4 mm/s2，均方根為209.4。在圖6（e）中，利用減振器的硬模式，車身最大加速度為1216mm/s2，加速度的均方根為260.4；同時(shí)利用軟模式，車身最大加速度為504.6 mm/s2，加速度的均方根為252.5。因此，在光滑平路面上，利用單管減振器的軟模式與硬模式相比，車身加速度降低58%（高速和低速時(shí)）。

8、 圖5 汽車在光滑路面上以112km/h行駛時(shí)的駕乘性能 在粗糙路面上，汽車以56km/h速度行駛時(shí)，100mm跳動(dòng)（如圖2（b）中給出的）得到單管減振器兩種模式車身位移隨時(shí)間的變化，參見圖7（a）。車身加速度隨時(shí)間的瞬時(shí)變化情況見圖7（b）。對(duì)于硬模式情況研究，車身最大加速度為7367mm/s2，加速度的均方根為3157，利用軟模式，車身最大加速度為10114mm/s2，加速度的均方根為4538，俯仰角隨時(shí)間的變化請參見圖7（c），而這一角度被認(rèn)為是汽車穩(wěn)定性的量度，這一值越小表示汽車穩(wěn)定性越好。參見圖7（c），利用減振器硬模式給出俯仰角3的變化，而軟模式的變化是6。圖7（d）給出了懸架負(fù)荷

9、在前部的變化。左懸架和右懸架的初始負(fù)荷為26469N，與前橋上的負(fù)荷分布相等。圖7（e）給出了懸架負(fù)荷在后部的變化，其中左、右懸架的初始負(fù)荷為31941N，與后橋上的負(fù)荷分布相等。 總之，本次研究表明，汽車在粗糙路面上以56km/h速度行駛時(shí)，利用單管減振器的硬模式與軟模式相比，能將車身加速度降低27%。還能提高汽車穩(wěn)定性，與軟模式相比，能將俯仰角降低33%。 當(dāng)汽車在粗糙路面上以28km/h速度行駛時(shí)，路面跳動(dòng)為100mm，如圖2（c）所示，單管減振器兩種模式車身位移隨時(shí)間的變化如圖8（b）所示，類似于前面粗糙路面上的研究，車身加速度的瞬時(shí)變化如圖8（b）所示。對(duì)于硬模式的情況，最大車身加速

10、度是2374mm/s2，加速度的均方根995，而對(duì)于軟模式的情況，最大車身加速度是4031mm/s2，均方根是1718。兩種模式俯仰角隨時(shí)間的變化如圖8（c）所示。兩種模式系統(tǒng)響應(yīng)差異相對(duì)較小，但使用硬模式汽車穩(wěn)定性有所提高。 圖8（d）和8（e）給出了懸架負(fù)荷在前部和后部的變化，與軟模式情況相比，硬模式的變化更小一些。 我們得出的結(jié)論是：汽車在粗糙路面上以28km/h速度行駛時(shí)，利用單管減振器的硬模式能將駕乘性改善41%，與軟模式相比，汽車穩(wěn)定性也有很大提升。 圖7 汽車在粗糙路面上以56km/h速度行駛時(shí)的駕乘性能 圖8 汽車在粗糙路面上以28km/h速度行駛時(shí)的駕乘性能6 結(jié)論 為進(jìn)行載

11、貨車駕乘舒適性和穩(wěn)定性分析，本文給出了重型載貨車多車身動(dòng)態(tài)模型的6個(gè)自由度，以便模擬和測試懸架系統(tǒng)。 為達(dá)成這一目的，利用單管減振器的兩種模式（軟/硬）進(jìn)行了研究。兩種模式的減振力是載貨車模型的輸入。結(jié)果表明，使用軟模式和使用硬模式相比，在光滑平路上，無論高速或低速，使用單管減振器的軟模式，駕乘舒適性提高58%。 另一方面，汽車在粗糙路面上以56km/h速度行駛時(shí)，使用單管減振器的硬模式與軟模式相比，能將駕乘舒適性改善27%，能將穩(wěn)定性（以俯仰角表示）提高33%。而且，在粗糙路面上，汽車速度為28km/h時(shí)，使用單管減振器的硬模式與軟模式相比，能將汽車駕乘舒適性提高41%。 譯自SAE Technical Paper 2010-01-1140附錄： 利