慣容與阻尼串聯(lián)式ISD懸架實車道路試驗*

張孝良，張華新，蔣 濤

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013)

2016219

慣容與阻尼串聯(lián)式ISD懸架實車道路試驗*

張孝良，張華新，蔣 濤

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013)

針對5元件ISD懸架元件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布置困難等問題，設(shè)計了一種3元件ISD懸架，研制了其慣容與阻尼串聯(lián)式液力慣容器裝置，并將該裝置安裝于某型軍用越野車的前、后懸架上。偏頻試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻分別降低了23.3%和12.5%，且相應(yīng)偏頻處的功率譜密度峰值分別減小了45%和50%。平順性試驗結(jié)果表明，ISD懸架能有效抑制車身的垂向、俯仰與側(cè)傾振動，明顯提高了汽車的行駛平順性。3元件ISD懸架元件少、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，為ISD懸架的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

ISD懸架；慣容器；道路試驗；行駛平順性

前言

傳統(tǒng)被動懸架主要由彈性元件和阻尼元件組成，進(jìn)一步提高其性能的潛力已經(jīng)接近極限[1-3]。慣容器(inerter)的出現(xiàn)，“慣容-彈簧-阻尼”(inerter-spring-damper, ISD)懸架新結(jié)構(gòu)體系的提出，打破了基于經(jīng)典隔振理論的“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系對懸架性能進(jìn)一步提高的制約瓶頸，為懸架新技術(shù)發(fā)展提供了一個嶄新的平臺，ISD懸架已經(jīng)成為了被動懸架技術(shù)發(fā)展的新方向[4-9]。

文獻(xiàn)[10]中提出了一種3元件ISD懸架，它由慣容器與阻尼元件串聯(lián)再與主彈簧并聯(lián)組成，基于整車模型的理論研究表明，這種懸架能夠有效改善汽車的乘坐舒適性。文獻(xiàn)[11]中建立了該型懸架的火車模型，仿真結(jié)果表明，它能夠改善火車的乘坐舒適性，提高火車的系統(tǒng)動態(tài)性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[12]中基于ISD懸架結(jié)構(gòu)體系，提出了一種理想天棚阻尼的被動實現(xiàn)方法，設(shè)計了被動天棚阻尼懸架系統(tǒng)，以被動的形式實現(xiàn)了理想天棚阻尼的主要功能，達(dá)到了抑制車身共振的目的，提高了汽車的乘坐舒適性。文獻(xiàn)[13]中基于Routh穩(wěn)定判據(jù)，采用Pade逼近法可將5元件的被動天棚阻尼懸架降階為上述的3元件ISD懸架，這表明，3元件ISD懸架也能實現(xiàn)天棚阻尼的主要功能。綜上所述，可以看出，3元件ISD懸架不僅能通過抑制車身共振提高汽車的乘坐舒適性，而且所需元件數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。但迄今為止，對該懸架的研究還僅限于理論和仿真階段。

本文中按照文獻(xiàn)[13]中提出的被動天棚阻尼懸架降階與優(yōu)化方法，設(shè)計了3元件ISD懸架系統(tǒng)，研制一種集慣容和阻尼于一體的液力慣容器裝置，并將該裝置安裝于某型軍用越野車前、后懸架，對實車進(jìn)行偏頻和平順性道路試驗，進(jìn)一步驗證降階優(yōu)化方法及3元件ISD懸架的有效性與可行性。

1 懸架樣機(jī)

降階后的ISD懸架由慣容器與阻尼串聯(lián)后再與彈簧并聯(lián)組成[13]，因此，懸架樣機(jī)采用原車彈簧，其中前懸架為扭桿彈簧，后懸架為鋼板彈簧，并研制慣容器與減振器一體式液力慣容器裝置，替換原車減振器。該液力慣容器裝置由單筒減振器、金屬螺旋管和氮氣罐依次串聯(lián)組成，如圖1所示。圖中1～4構(gòu)成單筒減振器，活塞2驅(qū)動油液在金屬螺旋管5中高速旋轉(zhuǎn)時，各圈緊并的金屬管中的油液相當(dāng)于一個空心圓柱液體飛輪，能夠產(chǎn)生較大的慣性，形成慣容器。單筒減振器與金屬螺旋管串聯(lián)實現(xiàn)了慣容與阻尼的串聯(lián)關(guān)系。外置氮氣罐6主要用來驅(qū)動油液回流，同時補償因活塞桿4進(jìn)出和油溫變化引起的油液體積的變化。

圖1 液力慣容器原理圖

圖2 液力慣容器實物圖

液力慣容器實物如圖2所示。它安裝在某型軍用越野車的前、后懸處，其中，前懸為獨立懸架，后懸為非獨立懸架。前懸液力慣容器的螺旋管內(nèi)徑為6mm，螺旋直徑為180mm，螺距為8mm，螺旋管圈數(shù)為16圈，減振器缸筒內(nèi)直徑為46.4mm，油液密度為1 000kg·m-3。后懸液力慣容器的螺旋管圈數(shù)為20圈，其余各參數(shù)與前懸慣容器相同。實車布置如圖3所示。

圖3 ISD懸架樣機(jī)

2 整車試驗系統(tǒng)

試驗車的主要參數(shù)為：整備質(zhì)量2 850kg，滿載質(zhì)量4 450kg，軸距2 800mm，輪距1 670mm，輪胎型號與尺寸255/85 R16，輪胎充氣壓力350kPa。試驗系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備包括：比利時LMS公司的SCADAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；德國DEUTA-WERKE公司的測速儀；美國PCB公司的33B30型加速度傳感器；德國米銥公司的WDS-500MP(W)位移傳感器；美國Crossbow公司的VG400 CC-200陀螺儀等。

測速儀固定于距離地面50mm的車門處，測量汽車行駛速度。陀螺儀安裝于車身質(zhì)心處，用于采集車身俯仰、側(cè)傾和橫擺角速度以及側(cè)傾角和側(cè)向加速度等信號。同時布置7個加速度傳感器和2個位移傳感器，分別用于采集駕駛員座椅垂直加速度、車廂地板中心垂直加速度、質(zhì)心垂直加速度、以及左前與左后車身垂直加速度信號、左前與左后車軸垂直加速度信號和左前懸架與左后懸架動行程等信號。采用LMS高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合LMS Express軟件，實時采集試驗數(shù)據(jù)，將各路信號記錄并保存到計算機(jī)上進(jìn)行處理，試驗系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示。

圖4 整車試驗系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 試驗結(jié)果與性能分析

3.1 車身偏頻試驗

試驗采用拋下法測定ISD懸架的偏頻。試驗前保證試驗車前、后車輪處于MTS320輪胎耦合道路模擬機(jī)的4個激振臺中心，設(shè)置激振臺高度至平衡位置，然后控制激振臺突然卸掉載荷并下行至-60mm的位置，將汽車拋下，使之自由振動。

采用頻率分析法，將時域響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制懸架頻域響應(yīng)試驗曲線如圖5所示。

圖5 車身偏頻試驗

由圖5可知，傳統(tǒng)被動懸架前、后車身偏頻分別為2.15和2Hz；ISD懸架前、后車身偏頻分別為1.65和1.75Hz。與傳統(tǒng)被動懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻分別下降了23.3%和12.5%，且相應(yīng)偏頻處的功率譜密度峰值分別減小了45%和50%。可見，ISD懸架有利于降低車身偏頻，改善汽車的低頻響應(yīng)特性，提高汽車的隔振性能。

3.2 脈沖輸入行駛試驗

參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》的試驗規(guī)定，對試驗車進(jìn)行脈沖輸入行駛試驗，測量試驗車的最大垂直加速度，分析人體和試驗車受到的極限沖擊情況，車速分別為10，20，30，40，50和60km/h。圖6給出了以40km/h車速進(jìn)行脈沖試驗時系統(tǒng)時域響應(yīng)試驗結(jié)果。

圖6 脈沖輸入試驗結(jié)果(v=40km·h-1)

為了比較脈沖輸入下ISD懸架和傳統(tǒng)懸架的性能，采用各次試驗最大(絕對值)加速度響應(yīng)均值作為評價指標(biāo)：

計算得到各車速下駕駛員座椅和車廂地板中心兩處的Z向最大加速度均值如圖7所示。

圖7 脈沖響應(yīng)試驗結(jié)果對比圖

由圖7可見，與傳統(tǒng)被動懸架相比，ISD懸架在車速為10，20，30，40，50和60km/h時，駕駛員座椅處Z向最大加速度響應(yīng)值分別減小了19.7%，5.1%，9.4%，16.8%，19.0%和2.4%；車廂地板中心處Z向最大加速度響應(yīng)值分別減小了1.1%，26.7%，37.3%，35.4%，14.1%和16.3%?？梢?，ISD懸架不僅有效抑制了駕駛員座椅處的振動，還能夠抑制車廂的跳動，改善了汽車行駛平順性。

3.3 道路試驗

參照GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》的試驗規(guī)定，試驗車輛分別以30，40，50和60km/h的車速在C級路面上進(jìn)行隨機(jī)輸入行駛試驗。試驗結(jié)果見表3。

由表3可知，與傳統(tǒng)被動懸架相比，ISD懸架在車速為30，40，50和60km/h下，表中所列各響應(yīng)值皆有不同程度的降低，最大降幅達(dá)26.9%。說明在懸架動行程沒有明顯惡化的前提下，ISD懸架系統(tǒng)有效抑制了車身的垂向、俯仰與側(cè)傾振動，明顯改善了汽車行駛平順性；而且，由于車軸加速度的大小能間接反映車輛輪胎動載荷大小[14]，上述試驗結(jié)果還表明，ISD懸架能夠降低輪胎動載荷的大小，提高輪胎的接地性能。

3.4 蛇行試驗

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6363—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》的規(guī)定，試驗車輛以50km/h的穩(wěn)定車速蛇行通過標(biāo)樁間距為30m的試驗路段。選取車身橫擺角速度、車身側(cè)傾角和車身側(cè)向加速度為試驗測取量，試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，ISD懸架可以小幅降低汽車轉(zhuǎn)向時的車身橫擺角速度、側(cè)傾角和側(cè)向加速度，在改善汽車行駛平順性的同時，兼顧了操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 在偏頻試驗中，與傳統(tǒng)被動懸架相比，ISD懸架前、后車身偏頻均有所降低，其中，前車身偏頻從2.15Hz降到了1.65Hz，后車身偏頻從2Hz降到了1.75Hz，前、后車身偏頻分別降低了23.3%和12.5%，且相應(yīng)偏頻處的功率譜密度峰值分別減少了45%和50%，表明ISD懸架改善了汽車的低頻響應(yīng)特性，提高了汽車的隔振性能。

(2) 脈沖試驗和隨機(jī)路面試驗表明，在懸架動行程沒有明顯惡化的前提下，ISD懸架有效抑制了車身與車軸的垂向振動和車身的俯仰與側(cè)傾振動，提高了汽車的行駛平順性。蛇行試驗表明，ISD懸架在改善汽車行駛平順性的同時，兼顧了操縱穩(wěn)定性。

表3 隨機(jī)輸入行駛試驗響應(yīng)均方根值

表4 蛇行試驗結(jié)果

(3) 偏頻與平順性試驗表明，研制的慣容器與減振器一體式液力慣容器裝置是有效的、可行的。

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Vehicle Road Test of ISD Suspension with Inerter and Damper Connected in Series

Zhang Xiaoliang, Zhang Huaxin & Jiang Tao

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In view of the large number of elements, the complexity of structure and the difficulty in layout of five-element inerter-spring-damper (ISD) suspension, a three-element ISD suspension is designed, and its hydraulic inerter device with inerter and damper connected in series is developed, which is then installed in the front and rear suspensions of a military off-road vehicle. The results of natural frequency test show that compared with traditional suspension, the ride frequencies of front and rear ISD suspensions are 23.3% and 12.5% lower respectively, and the corresponding PSD peaks are 45% and 50% smaller respectively. The results of ride comfort test indicate that ISD suspension can effectively suppress the vertical, pitch and roll vibrations of vehicle body, and thus improves the ride comfort of vehicle. The three-element ISD suspension has fewer components with simple structure and is easy to implemented, laying a technical foundation for the industrialization of ISD suspensions.

ISD suspension; inerter; road test; ride comfort

*國家自然科學(xué)基金(51405202)、江蘇省科技支撐計劃(BE2013096)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130521)、中國博士后科學(xué)基金(2015M570408)和江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-JNHB-001)資助。

原稿收到日期為2015年9月11日，修改稿收到日期為2015年12月14日。