基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究_何水龙.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金 项 目国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 柳 州 市 科 技 开 发 计 划 课 题 广 西 青 年 科 学 基 金 项 目 广西创新驱动发展专项 广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 何水龙 男博士副教授 年生 基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究 何水龙 汤涛 叶明松 邓聚才 蒋占四 桂林电子科技大学机电工程学院广西 桂林东风汽车柳州有限公司商用车技术中心广西 柳州 摘要分析重型商用车高速行驶时因车身耦合共振和隔振能力不足造成驾驶室振动过大问题的原因提出一种 以驾驶室为研究对象的信域指标分解振动控制分析方法从整车层分析角度出发以驾驶室座椅导轨为整车全局优化的 信域中心按照振动传递路径方向进行路径关联层系统分解建立整车和各分解层优化模型对关联振动传递路径上的振 源和历经的其它关联子系统的关键性能参数进行交互分析并通过进一步调整信域中心的振动响应水平以满足整车设计 要求此外提出一种的多逼近式的非线性阻尼设计方法提升了悬置系统匹配精度避免了传统非线性阻尼拟合方法的 设计缺陷结合各层响应参数和振动传递关系获得全角度的驾驶室振动最优控制经过实车验证结果表明实施解耦和 移频隔振优化后驾驶室导轨处振动信号在共振激励频率附近的幅度由原始的 降至 降低了 解决了该 车型存在的振动过大问题验证了方法的有效性为整车减振优化奠定理论基础也为其它类似工程问题提供实践参考 关键词驾驶室振动信域指标分解法信域中心关联分解系统非线性阻尼设计 中图分类号 文献标志码 国内经济圈的组建和高速公路网的完善促进了物 流运输业的快速发展而作为中长途运输主力的重型 商用车也引起了人们的重视长距离运输和长时间行 驶的特点提高了司乘人员对重型商用车高舒适性的追 求而驾驶室作为司乘人员工作和休息的唯一场所其 振动特性直接影响了汽车的舒适性由于驾驶室系 统结构复杂且目前尚无可靠的理论模型严重制约了 汽车舒适性的提升因此采用有效的振动控制措 施来降低驾驶室的振动幅值提高驾驶室的舒适性是 各大汽车生产厂商的共识为此诸多科研工作者经 过深入研究提出了许多有效的控制手段 等 将座椅悬架作为驾驶室的第五悬架提出五悬架概 念并在此基础上建立四自由度的驾驶员座椅驾 驶室耦合系统模型通过仿真和台架试验对阻尼参数 进行优化和验证 等提出具有位置校正能力 的离散滑膜控制算法并通过悬挂系统的主动控制技 术抑制有害频率对人体的影响 基于 隔 振器系统的数学模型设计出三种不同的半主动控制 器显 著 提 升 了 原 有 系 统 的 隔 振 能 力 现有振动控制算法虽能在一定程度上提高驾 驶室悬置系统的隔振能力但考虑到重型商用车结构复 杂耦合因素多且多自由度建模工作量大精度有限和 多次振动试验成本高的特点一定程度上限制了它们的 应用层次分析法 的出现使得结构的多目标优化和设计成为可能并很 快被科技人员应用于工程分析和设计领域如 等利用层次分析法结合归一化确定 指标权重 从而实现主动悬架系统的优化张冀通过分析直升 机振动和噪声的主要影响因素构建出三层指标体系结 构并在此基础上采用层次分析法和模糊综合评价法 对所构建的模型进行了有效评价和验证 重型商用车是一个典型的刚柔耦合系统它的结 构布置方式和参数分配将直接影响车体的垂向振动特 性进而影响司乘人员的乘坐舒适性传统振动控 制方法主要基于隔振或偏频避振的单一手段进行优化 或控制很少同时结合两者的优点对整车振动进行联 合优化和控制存在一定的片面性实际效果不够理 想另一方面虽然传统的层次分析法 能实现多目标振动优化控制设 计但考虑各层面关联关系时缺少方向性且分析过程 中存在散乱性和繁杂性难以获得最优的性能调校结 果本文结合国际标准 和 对车辆垂向俯仰和侧倾振动的评价方法提 出一种基于平顺指标的信域指标分解方法 在整车广义坐标系中以驾驶室座椅振动加速度值为 响应的信域目标点把整车按照系统层次进行划分基 于振动关联传递路径的分解方向将振动指标进行分 解并建立整车层和各子系统层的优化分解模型从偏 频和隔振优化设计方向进行逐层关联优化分析获得 各层关键参数的最佳优化方案降低驾驶室信域中心 点处的振动水平此外提出一种非线性阻尼设计方法 来拓展悬置系统优化匹配能力缩短试验周期降低开 发和调配成本从而完成对驾驶室平顺性的优化调整 并通过实车测试验证实施方案的可行性 问题提出 据客户反映我司某型重型商用车在高速行驶过程 中的某个速度段存在驾驶室整体异常抖动的问题为 复现该问题并查明原因本文通过滚筒台架测试模拟 重型商用车的行驶过程并采集驾驶室关联系统上各 测点的振动数据查找异常的振动传递环节分析振动 原因实验台滚筒采用对称布置方式与各轮保持充 分接触以模拟平坦路面行驶环境如图所示 图滚筒激励 测试设备包括位 数据信号采集仪计算 机终端移动电源振动加速度传感器座椅加速度传 感器等如图所示测试过程中关闭了空调等干扰 激励源仅考虑发动机和路面激励影响测点布置位置 如图所示整车全局参考坐标为 部分实车测 点布置位置如图所示由于各处测点安装空间限 制部分测点布置的局部坐标系方向与整车全局参考 坐标方向不同见图整车从 开始以 为速度增长单元逐渐增加到 且各 车速维持 的稳定采样时间 图实验振动数据采集设备 第期何水龙等基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究 三轴推力杆 右后桥 右中桥 二轴推力杆 平衡桥对应车架 右前桥 右后车架 右后驾 驶室 右前车架 右前驾驶室 驾驶室座椅导轨 图整车坐标系和实验测点布置位置 图部分实车测点位置 通过分析各测点数据可知试验车速在 区间时驾驶室座椅导轨处振动加速度信号频谱 中出现了异常峰值频率约为 测试频谱和振 型如图所示 图驾驶室座椅导轨向振动频谱 结合整车参数和运行工况计算出该重型商用车 档时的特征频率如表所示 表某型商用车档时轮胎频率参数 车速 轮胎频率 轮胎阶频率 车轮转速 车桥速比 对比测试分析频率和表中特征频率重型商用车 在对应 车速频率段与轮胎转频的二倍频 接近极易引发共振问题为降低驾驶室振动水平提 升该重型商用车的平顺性下面基于建立的商用车多 体动力学模型研究其他关联系统的耦合因素的影响 关系寻求整车最优频率分布降低振动水平 模型建立 根据实车参数结合 三维模型设计软件和 有限元分析软件将车架进行柔性化处理 并将输出的柔性化模型导入 多体动力学软件 中进行子系统装配完成整车刚柔耦合建模结合建 立的虚拟平坦路面进行仿真仿真工况的设定与实车 测试工况一致如图所示 图多体动力学模型仿真图 为改善驾驶室舒适性和整车的行驶平顺性通过 对仿真和实测中驾驶室座椅导轨车架前轴和后桥等 测点位置的向加速度振动响应来标定仿真模型拟合 度和验证模型准确度其中驾驶室座椅导轨作为指标 分解方法的信域中心振动特性极为重要因此以驾 驶室座椅导轨的振动传感器向振动标定结果为例进 行说明结果如图所示实车测试和仿真模型的振 动响应拟合程度较好从而验证了整车刚柔耦合模型 的准确性 振 动 与 冲 击年第卷 图仿真模型和实车测试时座椅导轨处对比图 信域指标分解方法研究 是在 基础上按照振动传递规律对 整车进行子系统分解并选择性地筛选各子系统关键 参数进行寻优分析从而达到整车振动控制设计目标 提出的一种分析方法该方法指定振动路径上某一环 节作为研究目标信域中心以系统环节上少数主要 振源到信域中心之间的环节长度为信域半径通过设 定有限个振动连接耦合节点来实现信域半径的分割 从而达到不同子结构系统的逐层分解充分考虑单层 振动传递路径的依赖性提出减振设计指标完成各层 子系统振动响应的逐层优化将每层子系统最佳振动 响应作为下层系统的设计输入并在执行完新一轮减 振设计后继续向下层输出然而仅考虑弹性隔振元件 对振动衰减的影响存在片面性刚性结构件的频率交 涉也会导致不连续子系统之间的间接共振因此需 要对局部隔振优化结合偏频优化进行修正消除共振 影响效应完成对各分解系统间的正向减振设计 隔振设计主要依赖于弹性原件的阻尼特性主要 指弹性元件阻尼特性曲线和刚度之间的关系例如 发动机悬置橡胶在六个方向三个轴向以及围绕三轴 的转向方向的振动解耦率以及振动隔振率的大小决 定了悬置对振动的衰减能力而偏频避振指标上系 统结构部件的刚度和质量关系决定了结构振动主阶次 模态频率考虑到低阶振动模态所占比例较大一般仅 考虑前六阶在信域半径末节点处的激励源作用下 各层系统结构设计使得各层结构振动模态与振动激励 频率产生偏离偏离范围设定为激励频率的倍从而 降低共振效应对振动异常的影响通过结合上述两项 指标某个指定层级分解的系统输入是上层传递系统 的最优输出通过附加偏频隔振优化方案对异常振动 的响应修正并最终对比原始方案以及几组参考方案 确定各连接耦合点上振动传递率符合振动衰减规律 以此确保系统的优化设计方向是全局正向的具备层 次性和方向性由此获得最小共振效应基础上的最佳 减振设计方案避免减振分析的片面性实现整车全局 角度的减振最优控制其实现过程如图和图所示 图信域关联振动分析流程 图信域指标分解方法原理 从图可知信域指标分解法是基于选择的优化 设计目标将其作为信域中心探究其在整车关联振动 各系统的传递环节并根据振动传递环节的完整性 依次将激励源中间环节系统作为等效的激励起点形 成传递子路径探究子系统件的频率干涉关系此外 在实现全局振动路径调控前提下对子路径历经子系 统参数进行优化调整通过该调整可实现对信域中心 历经振动传递路径各环节的整减振体最优化避开原 始方法对目标源形成局部最优的缺陷对于信域中心 建立的性能指标分别提取振动传递路径所历经各子 系统对设计性能贡献较大的关键性能影响参数结合 对应的设计方案和措施达到整体减振和隔振设计 第期何水龙等基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究 此外基于仿真模型以及虚拟仿真振动响应分析 将整车模型进行系统划分建立整车各层系统之间参 数流动关系的数学模型如图所示 图各级关联层系统参数流动关系图 将驾驶室座椅导轨处振动加速度指标作为整车振 动评价的信域响应中心对与信域响应中心振动传递 环节相关联的传递层进行分析把整车划分为整车 层驾驶室层驾驶室悬置层车架层以及发动机和车 轮组合的激励层等关联子系统层并将振动期望指标 分别对各关联层进行辐射分解从而确定与信域点振 动路径相关的分解系统简化整车减振设计复杂度 振动控制优化设计准则确立 偏频减振层面设计 对于特定的整车分解系统而言各分解层的主刚 性件特性决定着该系统的主阶次振动模态频率在实 现最佳振动频率偏离分布的基础上为简化系统隔振 分析的目标对象降低分析强度和缩短分析周期提取 各层分解系统的关键参数并进行性能影响贡献分析 在保证性能的优化稳定性的基础上提取最小数量的 分析参数元素集若以表示受分析分解系统的主阶 次模态频率以 分别为上下振动传递关联系统 的主模态阶次频率对信域中心的偏频进行减振分析 将偏频优化目标设定为 式中 分别为分解系统主阶次假定为 阶的模态频率值通过对共振频率耦合影响程度分 析完成最大化寻优并选出最优主阶次模态频率值 从而与共振频率 产生最佳偏离实现对关联系统优 化设计目标的设定 某些分解系统可能同时存在多个主刚性件的特定 情况由于约束自由度条件的关系无法将其作为刚性 整体需寻求最小数量的刚性体约束表示为 根据振动隔振理论分析可知振动激励频率 接 近固有频率的槡倍范围时容易造成共振问题为实 现在共振频率带宽内的整车减振优化可对主阶次模 态频率范围进行约束和调整如式所示 建立最少分析数量的分解子系统刚性体对振动频 率分配的最优设计目标可表示为 隔振层面设计指标 由于刚性体阻尼值较小在振动激励源到驾驶室 形成的各振动传递路径环节中传递振动的隔振效果有 限因此驾驶室关联振动路径上的振动主要由缓振 元件如驾驶室轴向悬置结构发动机悬置等来缓冲 和分解为客观评价振动衰减程度通过对振动时域 信号在一定等采样时间周期内的均匀采样和进行 加权滤波处理获得加权加速度值并以三个方向 加权加速度均值化处理值得到的加权加速度均方根值 来作为计算标准获得悬置阻尼元件的主被动端间 的振动传递响应加速度传递率 来间接评价传递的剧 烈程度如式所示 [] 式中为振动传递激励主动端测点的振动加速度均 方根值为传递被动响应端测点的振动加速度均方 根值 整车层振动分解优化模型 整车层的设定便于确立整车全局优化设计目标 从整车层角度分析发动机是影响驾驶室振动路径上 的信域半径的端点激励源其振动程度会直观影响评 价整车驾驶室平顺性和舒适性因此在整车层设计 角度分析将中间的传递环节作为等效的大组合中间 层系统将信域点处振动值为设计指标构成激励 源中间子系统响应源的宏观传递路径从而避免 了多分支振动路径对信域点造成的干扰如图所示 图整车层的简化振动传递路径 振 动 与 冲 击年第卷 为实现对驾驶室振动的最优控制以驾驶室座椅 导轨测点为信域中心将该处振动加速度响应设为 分配加速度期望值差值 并执行向下传递和分解直 到最终实现对驾驶室关联传递链终点振源处发动机 等的振动期望分配配合上述的振动频率的设计目 标要求建立整车全局优化模型如式所示 式中和 分别为驾驶室和激励源处的振动期望 值和 分别为驾驶室座椅导轨处和发动机处的振 动响应 为驾驶室座椅处的振动加速度与驾驶室 连接的悬置上固定点处振动抖动加速度 的偏差值 用以衡量驾驶室整体振动与驾驶室直接连接子系统间 等振动响应偏差 为驾驶室固有频率 与发动机脉 冲激励频率 之间的偏差值和分别为刚度调节 变量和质量调节变量 和 分别为 关于驾驶室座椅导轨处振动响应和刚度质量间的不 等式约束和等式约束且该约束条件应保证刚度和 质量值变量约束范围内能使得 和的设定符合 前所述的减振设计指标需求 振动源激励优化分析 重型商用车在高速行驶时由于车桥旋转体和车 轮动不平衡轮胎失圆和四周刚度变化等因素影响导 致轮胎发生周期波动性的垂直径向力变动 并对应不同阶次的轮胎旋转 激振力频率通常考虑阶此外重型商用车动力 强劲其发动机内部不平衡惯性矩和点火脉冲振动激 励作用明显因此在高速行驶时所受到的主要振动激 励频率来源于发动机阶点火脉冲激励和轮胎阶旋 转激励其计算公式分别表示为 式中 为发动机点火激励频率为发动机缸数 为发动机冲程数为发动机转速 为轮胎的二倍 旋转激励频率为商用车的行驶速度为轮胎 半径 本文重型商用车采用四缸四冲程发动机结合实 际测试工况参数计算在高速历经 速度 段时发动机产生的阶点火频率范围为 而 轮 胎 旋 转阶 频 率 为 通过发动机悬置软垫能量解耦分析提取发 动机悬置软垫三个方向的振动能量解耦度部分阶次 解耦振型和频率如图和表所示 图部分阶次的发动机解耦振型和频率 表部分模态能量分布表 阶数 能量 分布 信息 理论上能量解耦度越高说明解耦方向的振动独 立稳定性越好当隔振率超过则可认为在该方向 的解耦程度较好从表可知阶解耦能量主振型集 中于 且解耦率仅仅为 解耦能力严重不 足在阶和阶的解耦率也低于解耦标准且主振型 方向能量解耦度分别与 向和 向产生了耦合 交涉为进一步提高发动机悬置的解耦能力同时考 虑到悬置能量解耦主要由悬置刚度大小决定在实验 设计中以发动机前后悬置 以及绕三轴旋转方向 刚度作为设计关键参数变量联合 进行多目标优 化分析优化流程如图所示 图 与 联合优化流程 基于建立的优化流程不断对悬置进行解耦并从 表格中将解耦模态信息输出历经的 寻优解集 历程如图所示 第期何水龙等基于信域指标分解的重型商用车驾驶室减振控制研究 图多目标 解集 由图可知采用序列二次规划法 对发动机悬置解耦度和隔振率 等设定的优化目标进行次迭代寻优后获得最优 发动机悬置刚度匹配值如表所示优化后的解耦 率和隔振率大大提升 表优化前后发动机悬置解耦参数 名称 前悬 后悬 前悬 后悬 前悬 后悬 向解 耦 向解 耦 原始 优化 振动源优化的实车验证分析 在按照获得的悬置刚度匹配值分别对发动机前 后悬置进行结构改进如图所示 图发动机前后悬置结构优化图