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互聯(lián)空氣懸架對整車振動性能的影響
2019-05-14 11:00:30· 來源：《江蘇大學(xué)學(xué)報》 作者：張云，周孔亢，錢寬
摘要：以互聯(lián)空氣懸架為研究對象，通過搭建整車試驗臺架研究不同互聯(lián)模式下車身加速度頻率響應(yīng)，綜合車輛動力學(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)空氣懸架為研究對象，通過搭建整車試驗臺架研究不同互聯(lián)模式下車身加速度頻率響應(yīng)，綜合車輛動力學(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)空氣懸架整車動力學(xué)模型，仿真研究互聯(lián)模式對車身固有頻率的影響，從頻域和時域2方面研究互聯(lián)模式在C 級路面，車速為60 km·h － 1工況下的車身加速度響應(yīng)規(guī)律． 結(jié)果表明: 與非互聯(lián)模式相比，互聯(lián)空氣懸架車輛在正弦對扭激勵下，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，在隨機路面激勵下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; 臺架試驗; 仿真分析; 振動性能
互聯(lián)空氣懸架作為一種新型半主動懸架系統(tǒng)，能實現(xiàn)懸架側(cè)傾剛度和俯仰剛度的可控，有效協(xié)調(diào)車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底盤上投入運用，在路虎第3 代攬勝L322 上也得到相關(guān)應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者也進行了相關(guān)學(xué)術(shù)研究，文獻［1］建立基于三軸半掛貨車的3個空氣彈簧互聯(lián)的數(shù)學(xué)模型并根據(jù)氣壓和彈簧力進行驗證，結(jié)果表明所建模型具有良好的可靠性。文獻［2］通過試驗得出，增大重型貨車縱向互聯(lián)管路內(nèi)徑能有效改善車軸對底盤施加的動載荷及車輛其他動態(tài)參數(shù)，并采用懸架力相關(guān)度系數(shù)和t 檢驗3 種分析技術(shù)來確定懸架動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［4－5］建立三軸半掛拖車縱向互聯(lián)空氣懸架模型并通過試驗結(jié)果驗證其準確性，分析路面、車速和載荷等行駛工況和連接管路內(nèi)徑等懸架參數(shù)對車輛動態(tài)載荷分配和路面友好性的影響機理。文獻［6］搭建橫向互聯(lián)空氣懸架動態(tài)特性測試臺架，研究了簧上質(zhì)量加速度、車身側(cè)傾角、側(cè)傾角加速度的頻率響應(yīng)特性。文獻［7］通過仿真研究發(fā)現(xiàn)四角互聯(lián)空氣懸架能有效提升車輛隔振性能，并消除車身所受扭轉(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，而對于互聯(lián)空氣懸架多種互聯(lián)模式性能之間的對比研究仍未涉及。
筆者通過搭建互聯(lián)空氣懸架試驗臺架，試驗研究不同互聯(lián)模式車身加速度頻率響應(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)的整車動力學(xué)模型，研究不同互聯(lián)模式對車身固有頻率和車輛在隨機路面下車身加速度響應(yīng)的影響規(guī)律。
1 互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)概述
ECU 根據(jù)車輛當前行駛工況和懸架位置處傳感器信息來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)空氣懸架整車臺架試驗
為直觀地分析互聯(lián)空氣懸架對整車振動性能的影響，將通過臺架試驗來進行研究分析。
2.1 試驗臺架的搭建
以某轎車骨架車為基礎(chǔ)搭建互聯(lián)空氣懸架整車試驗臺架，采用Bilstein 一體式空氣彈簧減振支柱，用裝有手動閥的氣動管路將相鄰空氣彈簧互聯(lián)以切換不同互聯(lián)模式。在臺架前左位置處安裝三軸加速度傳感器監(jiān)測前左車身垂向、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MTS320 型四通道道路模擬給四輪施加激勵，所搭建的試驗臺架如圖2 所示。
圖2 整車試驗臺架
2.2 車身加速度頻率響應(yīng)分析
考慮到道路模擬機承載限制，對整車施加振幅為15 mm，頻率為0．5 ～ 7．0 Hz，間隔0．25 Hz 的四輪正弦掃頻激勵，左右輪相位差為180°，前后輪相位差為90°，考察在正弦對扭激勵下前左車身加速度頻率響應(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)空氣懸架車輛振動性能仿真
為進一步研究多種互聯(lián)模式對其他性能指標的影響，將通過仿真分析不同互聯(lián)下的互聯(lián)空氣懸架對車身固有頻率和隨機路面下車身加速度響應(yīng)的影響規(guī)律。
3.1 互聯(lián)空氣懸架整車模型的建立
為反映整車振動特性，采用7 自由度整車動力學(xué)模型，懸架部分用懸架力來表示，如圖6 所示。
圖6 互聯(lián)空氣懸架整車動力學(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
3.2 互聯(lián)模式對車身固有頻率的影響
考慮到車身垂向振動和俯仰角振動間存在耦合關(guān)系，分別對互聯(lián)空氣懸架車輛施加整車四輪階躍激勵、前輪階躍激勵以及左側(cè)車輪階躍激勵［10］，分別采集簧上質(zhì)量垂向、俯仰角和側(cè)傾角加速度信號并進行相應(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，說明這3 種互聯(lián)模式均不影響車身質(zhì)心垂向固有頻率，這是由于整車四輪階躍激勵下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 隨機路面響應(yīng)分析
表2 不同互聯(lián)模式下車身加速度均方根值
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，說明不同互聯(lián)模式基本 不影響車輛質(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; 這說明橫向互聯(lián)不影響車輛質(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; 這說明縱向互聯(lián)不影響車輛質(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)模式則對降低側(cè)傾角加速度和俯仰角加速度有各自的優(yōu)勢，上述時域分析結(jié)論與前文頻域研究分析相印證。
4 結(jié)論
1) 在正弦對扭激勵下，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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