輕型卡車駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計研究

1、輕型卡車駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計研究郭福祥1，史文庫2，王世朝2（1、南京依維柯汽車有限公司；2、吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院）摘 要：汽車的振動與噪聲性能現(xiàn)在越來越得到消費(fèi)者的重視，也越來越成為擺在汽車制造商以及研究人員面前的一個重大課題。在輕型商用車上，由于成本以及布置空間等原因，無法采用像重型車上的全浮式減振方式。常用的方法是對駕駛室的懸置進(jìn)行優(yōu)化匹配，使其在各個頻段下都有較好的振動隔離效果。本文著眼于輕型卡車駕駛室懸置的匹配分析，從駕駛室慣性參數(shù)獲取到駕駛室懸置的匹配優(yōu)化，分析形成了一個完整的匹配方法過程。這將對駕駛室懸置的匹配具有良好的指導(dǎo)借鑒意義。關(guān)鍵詞：駕駛室懸置；慣性參數(shù)；能量解耦；

2、遺傳算法；匹配； 中圖分類號：U463.83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AMatch and Optimization of Light Truck Cab MountGUO Fu-xiang1,SHI Wen-ku2,WANG Shi-chao3（1、Nanjing Iveco Co.Ltd; 2、College of Automotive Engineering, Jilin University）Abstract ：People take more and more attention on vehicle NVH performance for its significance for vehicle

3、 ride comfort ，it is also a more and more important challenge for vehicle manufacturers.Because of cost and fit space reason，light truck have little chance to install float drive cab as heavy truck use。Manufacturers usually match stiffness，to isolate vibration all over large frequency range.This pap

4、er is focus on the match and analysis for light truck cab mount ，including vibration source analysis，inertia parameter achieving and optimizing for cab mount.A full matching chain is completed and have good reference for other light truck cab mount.Key words：Drive cab mount；Inertia Parameter；Energy

5、Decoupling；Genetic Algorithm；Matching 12駕駛室懸置對車輛行駛的舒適性有著重要的作一定頻率的剛體模態(tài)。這種基于無阻尼線性彈性支承用，現(xiàn)在的汽車制造商越來越重視駕駛室懸置系統(tǒng)的系統(tǒng)的剛體慣性參數(shù)識別方法能有效地簡化振動試驗匹配。在輕型卡車上，由于受到成本控制和安裝空間系統(tǒng)的復(fù)雜性，易于實施試驗?zāi)B(tài)分析，有利于提高【】【】等多方面因素的限制，通過優(yōu)化駕駛室懸置的剛度就參數(shù)識別的精度31。 成了一種比較簡單可行的優(yōu)化方式。相對于普通動力總成的匹配優(yōu)化，駕駛室懸置匹配除了考慮能量解耦與頻率分布之外，由于駕駛室成員對駕駛室姿態(tài)變化非常敏感，因此懸置對于駕駛室【】【】

6、的穩(wěn)定姿態(tài)控制能力也是要重點(diǎn)考慮的問題12。本文參考動力總成懸置的設(shè)計匹配方法，從駕駛室的慣性參數(shù)識別到懸置優(yōu)化匹配均進(jìn)行了將為詳細(xì)的試驗和計算工作，形成了一整套駕駛室懸置匹配的過程和方法，對駕駛室的懸置系統(tǒng)匹配具有較強(qiáng)的實用性與指導(dǎo)意義。1. 駕駛室慣性參數(shù)獲取駕駛室慣性參數(shù)獲取是采用基于試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)的一種剛體慣性參數(shù)識別方法。將試驗對象采用一定的彈性結(jié)構(gòu)支撐起來，使駕駛室在激勵作用下產(chǎn)生12圖1駕駛室質(zhì)心參數(shù)獲取駕駛室可以視為剛體，懸置元件可以簡化為三個相互垂直的具有阻尼的線彈性彈簧。將與之連接的車架視為剛性的。懸置系統(tǒng)可以看作具有六自由度的空間振動系統(tǒng)。 國家自然科學(xué)基金資助項目(5

7、1205158中國博士后科學(xué)基金面上資助項目(2013M541294 圖 2 駕駛室動力學(xué)模型在試驗過程中，首先設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)，并相對于該坐標(biāo)原點(diǎn)，建立了一個駕駛室坐標(biāo)系，車身向后的縱向為X 正向，駕駛室右側(cè)為Y 正方向，垂直向上為Z向。得到了駕駛室振動的微分方程【4】：Mx+Cx +Kx =F （1） 由于微分方程通解的形式是x =Xej t，對方程進(jìn)行傅里葉變換得到了(M -12K X (j =F (j （2）其中M 矩陣是駕駛室在OXYZ 坐標(biāo)下的廣義質(zhì)量陣M =-J m m 00m cl m ；m lc =0m 0； 00m m =0-mz l -mz my cm0cm-my mx cm

8、 mx cm ； cmcm0J xx -J xy -J xz J =-J xy J yy -J yz ；-J xz -J yz J zz X =x , y , z , , , '是位移列向量，F(xiàn) =f x , f y , f z , T , T , T '是力和力矩向量。x , y , z 是相對于O 點(diǎn)的三向加速度，, , 是相對于O 點(diǎn)的角位移向量，方程中的未知參數(shù)是x c m , y c , m z , c J m , J x x , J x , y J x , ，由于質(zhì)心坐標(biāo)z J y J y y z x cm , y cm , z cm 與慣量J xx , J xy

9、, J xz , J yy , J yz , J zz 不耦合，可以將方程降階為一個3階方程和一個6階方程。x cm f x m y x 1cm =f y -m y +K 1 X （32） z f z (2f cm z -m m 其中m =0m 0-m -m -m 0J xx J yy J zz T 1J =T + K 2 X （4） 2xy T (2f J xz J yz 00-0其中=00-0- 00-K =K 136K , =2f 。236利用數(shù)據(jù)采集和處理軟件中的相關(guān)程序，求解方程（3）、（4）就可以計算出駕駛室的質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)的計算提供依據(jù)。駕駛室質(zhì)量為553kg

10、 ，而表1是結(jié)合稱重法測質(zhì)心方法獲得的駕駛室質(zhì)心和慣性參數(shù)。表格1駕駛室質(zhì)心及慣性參數(shù)質(zhì)心位置mmX -653.11相對前左右懸置中心連線中點(diǎn)向后挫折心理測試 J xxJ yy112 J xz21.4 J zz170討論：案例分析：1、分析汶川地震中的感人事件文將結(jié)合駕駛室懸置系統(tǒng)的頻率分布進(jìn)行綜合優(yōu)化。2、探討并歸納挫折和意志力在大學(xué)生成長與發(fā)展過程中所起的重要作用。在求解過程中，需要對M 矩陣進(jìn)行正規(guī)化處理M -1K -M -1M 2=-E 2=0（6）求得的值就是矩陣Q 的特征值，可以得到駕駛室振動系統(tǒng)的剛體振動模態(tài)以及對應(yīng)的模態(tài)頻率，然后再計算駕駛室振動系統(tǒng)的能量解耦分布【7】。駕駛室

11、振動系統(tǒng)在j 階振動模態(tài)下得總的振動動能：266T(j max=j2(j km kl (j l （7）k =1l =1其中，(j k 表示駕駛室的j 階振動向量中的第k個自由度的位移，j 表示駕駛室j 階剛體模態(tài)對應(yīng)的圓頻率，m kl 對應(yīng)慣性矩陣中的第k 行l(wèi) 列個元素。駕駛室振動系統(tǒng)動能在某一自由度的分布：26T (j k =j2(j k m kl (j l （8）l =1在j 階振動模態(tài)下，駕駛室振動系統(tǒng)第k 個自由度振動動能占總動能的比值：T (j DIP =k T (j 100%（9）maxDIP 的值為100%，表明振動系統(tǒng)在該自由度的振動與其他自由度完全解耦，振動不發(fā)生耦合。通常

12、情況下，振動系統(tǒng)的振動解耦程度越高越好。對駕駛室振動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計算采用的是遺傳算法（Genetic algorithm ，GA ）。這是John Holland提出的一種全局優(yōu)化算法，近年來被越來越多的用于各個領(lǐng)域，具有簡單易用、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)【8】。其原理是以可行域空間中的所有的個體為對象，利用隨機(jī)化技術(shù)對這個空間進(jìn)行搜索。選擇適應(yīng)度相對高的個體進(jìn)行遺傳操作。為了防止優(yōu)化陷入局部最優(yōu)解，在遺傳操作過程中還包含變異操作。通過若干代的遺傳操作，獲得最優(yōu)解【9】。利用遺傳算法相關(guān)原理通過編寫程序，來進(jìn)行駕駛室振動能量解耦計算和頻率分布優(yōu)化分析，首先要確定合適的目標(biāo)函數(shù)。懸置優(yōu)化過程中能量解耦子目

13、標(biāo)函數(shù)：6J 1=w i (100-DIP ii (x （10）i =1頻率分布的子目標(biāo)函數(shù)：6J 2=w i S s （11）i =1S |f (x -g iobj |g iobjl f i (x g iobjui =i0其他f i (x 表示第i 個自由度的頻率，X 表示對應(yīng)的自由度。g iobjl 表示頻率的合理的頻率帶下限，g iobju 表示合理的頻率帶上限。J 1與J 2在量級上相差很大，因此需要對這兩個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行規(guī)格化處理。J J i -Ti =-（12） , 分別表示函數(shù)值的下、上限。則統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)為2J =w i J Ti （13）i =1w i 為加權(quán)因子。通過對子目標(biāo)函

14、數(shù)進(jìn)行不同的加權(quán)求和計算，就得到了駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)【3】。優(yōu)化約束條件包括：剛度條件、三向剛度的壓剪比以及其他的限制條件。1、剛度限值根據(jù)實際需要，對剛度的上下限進(jìn)行合理選擇k min k k max2、壓剪比壓剪比主要關(guān)系到懸置研制過程中的工藝性，為了保證工藝性良好，不能使懸置的各向剛度相差過大，這就是限值壓剪比的原因。 k zi k zi k k k zi ，zi xi min k xi k xi k zi k zi max k yi min k yi k yi max3、其他原因?qū)е碌募s束條件low i x i up i 。表格 2 原懸置靜剛度數(shù)據(jù)的改善，駕駛室的振動耦合情

15、況得到了明顯提升。 2.2 靜平衡校核由于人體生理機(jī)能的原因，駕駛室成員在車輛行駛過程中對駕駛室的姿態(tài)變化比較敏感，這就要求駕駛室在車輛行駛過程中不能產(chǎn)生過大的姿態(tài)變化。因此必須在設(shè)計時對駕駛室的姿態(tài)進(jìn)行校核。表格6原方案靜平衡時懸置的受力和靜位移表格3改進(jìn)后靜剛度數(shù)據(jù)表格7改進(jìn)后靜平衡時懸置的受力和靜位移通過優(yōu)化計算，得到了最終的優(yōu)化結(jié)果，如表2和表3所示的內(nèi)容。對比優(yōu)化前后可以發(fā)現(xiàn)后懸置的X 向剛度提高，Y 向剛度降低，同時Z 向剛度均有所降低。表格4原方案能量分布矩陣對比原方案，駕駛室姿態(tài)在優(yōu)化后基本保持水平，偏差控制在0.1mm 以內(nèi)，很好的實現(xiàn)了駕駛室靜平衡姿態(tài)的控制。3實驗驗證對駕

16、駛室懸置進(jìn)行改進(jìn)，并試制了樣件，將其裝在試驗車輛上進(jìn)行路試。表格 5 改進(jìn)后能量分布矩陣駕駛室振動系統(tǒng)的能量分布以及模態(tài)頻率如表4和表5所示。駕駛室在優(yōu)化前后的能量解耦有了較大圖- 3改進(jìn)前后駕駛室振動情況對比改進(jìn)后，車輛駕駛室在1800rpm （約5檔62km/h）左右的振動情況明顯好轉(zhuǎn)。車輛主觀駕乘感受提升明顯。駕駛室懸置的重新匹配對駕駛室舒適性的提升起到了良好的效果。4. 結(jié)論駕駛室的懸置剛度優(yōu)化匹配要考慮多個方面的內(nèi)容：能量解耦、姿態(tài)控制、固有頻率的合理安排等。通過采用頻響函數(shù)法獲得駕駛室的慣量參數(shù)，然后結(jié)合稱重法測質(zhì)心進(jìn)行校驗，對所獲得的慣性參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了確認(rèn)。采用遺傳算法對駕駛

17、室懸置的剛度和頻率進(jìn)行合理的優(yōu)化。并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析。在優(yōu)化后，駕駛室振動系統(tǒng)的能量解耦分布、頻率分布合理，駕駛室的姿態(tài)有良好的控制。對駕駛室懸置的剛度進(jìn)的優(yōu)化匹配，很好地提高了駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振能力以及駕駛室的駕乘舒適性。 參考文獻(xiàn)1C.H.Ward；The Application of a New Cab Mounting to Address Cab Shake on the 2003 Chevrolet Kodiak and GMC TopKickJ；SAE Paper，2002-01-3102. 2Han Zhang，Xuexun Guo，Zhigang Fang；Application of Wavelet Analysis in Truck Cab Vibration Signal ProcessingJ；SAE Paper，2012-01-2011.3郭峰，呂振華，侯之超；動力總成剛體慣性參數(shù)的識別方法研究J；設(shè)計*計算*研究；2004（8）；15-19. 4曾慶華；結(jié)構(gòu)慣性參數(shù)動態(tài)測試與識