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互联空气悬架对整车振动性能的影响
2019-05-14 11:00:30· 来源：《江苏大学学报》 作者：张云，周孔亢，钱宽
摘要：以互联空气悬架为研究对象，通过搭建整车试验台架研究不同互联模式下车身加速度频率响应，综合车辆动力学、工程热力学和流体力学理论，建立集成非互联、横
摘要：以互联空气悬架为研究对象，通过搭建整车试验台架研究不同互联模式下车身加速度频率响应，综合车辆动力学、工程热力学和流体力学理论，建立集成非互联、横向互联、纵向互联和四角互联的互联空气悬架整车动力学模型，仿真研究互联模式对车身固有频率的影响，从频域和时域2方面研究互联模式在C 级路面，车速为60 km·h － 1工况下的车身加速度响应规律． 结果表明: 与非互联模式相比，互联空气悬架车辆在正弦对扭激励下，前左簧上质量加速度均方根值在中低频为0.5 ～ 7.0 Hz 时均有不同程度的改善，横向互联和四角互联模式能降低侧倾角固有频率，纵向互联和四角互联能降低俯仰角固有频率，在随机路面激励下3 种互联模式下乘坐舒适性均得到提升。
关键词：空气悬架; 互联模式; 台架试验; 仿真分析; 振动性能
互联空气悬架作为一种新型半主动悬架系统，能实现悬架侧倾刚度和俯仰刚度的可控，有效协调车辆行驶平顺性和操纵稳定性之间的矛盾，在发挥传统空气悬架优越特性的基础上进一步拓展了悬架系统性能。
目前，互联空气悬架已由澳大利亚的Haire 悬架厂商在重型卡车底盘上投入运用，在路虎第3 代揽胜L322 上也得到相关应用。国内外学者也进行了相关学术研究，文献［1］建立基于三轴半挂货车的3个空气弹簧互联的数学模型并根据气压和弹簧力进行验证，结果表明所建模型具有良好的可靠性。文献［2］通过试验得出，增大重型货车纵向互联管路内径能有效改善车轴对底盘施加的动载荷及车辆其他动态参数，并采用悬架力相关度系数和t 检验3 种分析技术来确定悬架动载荷分配与增大纵向互联管路内径之间的因果关系［3］。文献［4－5］建立三轴半挂拖车纵向互联空气悬架模型并通过试验结果验证其准确性，分析路面、车速和载荷等行驶工况和连接管路内径等悬架参数对车辆动态载荷分配和路面友好性的影响机理。文献［6］搭建横向互联空气悬架动态特性测试台架，研究了簧上质量加速度、车身侧倾角、侧倾角加速度的频率响应特性。文献［7］通过仿真研究发现四角互联空气悬架能有效提升车辆隔振性能，并消除车身所受扭转载荷。上述研究都集中在互联空气弹簧建模以及单种互联模式的互联空气悬架方面，而对于互联空气悬架多种互联模式性能之间的对比研究仍未涉及。
笔者通过搭建互联空气悬架试验台架，试验研究不同互联模式车身加速度频率响应，建立集成非互联、横向互联、纵向互联和四角互联的整车动力学模型，研究不同互联模式对车身固有频率和车辆在随机路面下车身加速度响应的影响规律。
1 互联空气悬架系统概述
ECU 根据车辆当前行驶工况和悬架位置处传感器信息来控制管路中电磁阀的状态，使互联空气悬架处于最佳的互联模式，以适应复杂行驶工况。
图1 互联空气悬架系统示意图
2 互联空气悬架整车台架试验
为直观地分析互联空气悬架对整车振动性能的影响，将通过台架试验来进行研究分析。
2.1 试验台架的搭建
以某轿车骨架车为基础搭建互联空气悬架整车试验台架，采用Bilstein 一体式空气弹簧减振支柱，用装有手动阀的气动管路将相邻空气弹簧互联以切换不同互联模式。在台架前左位置处安装三轴加速度传感器监测前左车身垂向、侧向和纵向加速度，此处加速度能较好反映驾驶员位置处的乘坐舒适性。采用LMS SCADAS 多功能数据采集系统采集传感器信息，通过MTS320 型四通道道路模拟给四轮施加激励，所搭建的试验台架如图2 所示。
图2 整车试验台架
2.2 车身加速度频率响应分析
考虑到道路模拟机承载限制，对整车施加振幅为15 mm，频率为0．5 ～ 7．0 Hz，间隔0．25 Hz 的四轮正弦扫频激励，左右轮相位差为180°，前后轮相位差为90°，考察在正弦对扭激励下前左车身加速度频率响应特性，结果如图3－5 所示。
从图3 可以看出: 与非互联模式相比，除某些局部频率处，横向互联、纵向互联和四角互联下的前左车身垂向加速度在0．5 ～ 7．0 Hz 频率范围内都有所降低，四角互联和纵向互联模式下效果较好，有7%左右的改善率。
图3 垂向加速度频率响应
从图4，5可以看出: 对于侧向加速度和纵向加速度这2 种水平方向的加速度，与非互联模式相比，在小于1．6 Hz 的低频范围内，其余3 种互联模式下的加速度都有5% ～ 20%的降低，在0．5 ～ 2．0 Hz 的人体水平加速度敏感区间总体表现良好; 在3．0 ～7．0 Hz 的中高频率范围内，除了在某些局部频率附近，侧向和纵向加速度分别有5% 和10% 左右的改善。总体而言，与非互联模式相比，横向互联、纵向互联和四角互联下的前左车身加速度均有不同程度的降低，有效抑制在人体加速度敏感区间的响应值，改善了驾驶员位置处的乘坐舒适性，其中四角互联模式的综合改善效果最好，体现了互联空气悬架在较宽的频率区间内的良好减振性能。
图4 侧向加速度频率响应
图5 纵向加速度频率响应
3 互联空气悬架车辆振动性能仿真
为进一步研究多种互联模式对其他性能指标的影响，将通过仿真分析不同互联下的互联空气悬架对车身固有频率和随机路面下车身加速度响应的影响规律。
3.1 互联空气悬架整车模型的建立
为反映整车振动特性，采用7 自由度整车动力学模型，悬架部分用悬架力来表示，如图6 所示。
图6 互联空气悬架整车动力学模型示意图
互联空气悬架可根据上述管路质量流量状态进一步分为4 种模式，具体如表1 所示。
表1 互联模式的分类
3.2 互联模式对车身固有频率的影响
考虑到车身垂向振动和俯仰角振动间存在耦合关系，分别对互联空气悬架车辆施加整车四轮阶跃激励、前轮阶跃激励以及左侧车轮阶跃激励［10］，分别采集簧上质量垂向、俯仰角和侧倾角加速度信号并进行相应的频谱分析，如图7－9 所示，功率谱密度曲线中峰值所对应的频率即为其固有频率。
图7 垂向加速度频谱图
图8 俯仰角加速度频谱图
图9 侧倾角加速度频谱图
从图7 可以看出: 与非互联模式相比，横向互联、纵向互联和四角互联下的垂向固有频率不发生变化，说明这3 种互联模式均不影响车身质心垂向固有频率，这是由于整车四轮阶跃激励下3 种互联模式下的空气弹簧间并未产生气体交换，等效成为非互联模式。
从图8，9 可以看出: 与非互联模式相比，横向互 联状不改变俯仰角固有频率，但纵向互联和四角互 联下的俯仰角固有频率值都降低63.3%；纵向互联 不改变侧倾角固有频率，但在横向互联和四角互联状态下的侧倾角固有频率值都降低24.2%。
3.3 随机路面响应分析
表2 不同互联模式下车身加速度均方根值
从图10 可以看出: 横向互联、纵向互联和四角 互联这3 种互联模式下的垂向加速度功率谱密度与 非互联模式相比基本一致，说明不同互联模式基本 不影响车辆质心处的垂向加速度。
图10 质心垂向加速度幅频特性
从图11 可以看出: 非互联和横向互联下的俯仰角加速度功率谱曲线一致，而纵向互联与四角互联下的俯仰角加速度功率谱曲线重合。与非互联和横向互联模式相比，纵向互联和四角互联下的车辆质心处俯仰角加速度功率谱密度在低于4．7 Hz 频率范围内要小，有效抑制了俯仰角加速度在中低频率范围内成分，而在高于4． 7 Hz 频率范围内基本相同; 这说明横向互联不影响车辆质心俯仰角加速度，而纵向互联和四角互联能改善在中低频范围内的平顺性，但不影响较高频率范围内的平顺性。
图11 质心俯仰角加速度幅频特性
从图12 可以看出: 非互联和纵向互联下的侧倾角加速度功率谱曲线一致，而横向互联与四角互联下的俯仰角加速度功率谱曲线重合。与非互联和纵向互联模式相比，横向互联和四角互联下的侧倾角加速度功率谱密度在低于5．8 Hz 频率范围内要小，有效抑制了侧倾角加速度在中低频率范围内成分，而在高于5．8 Hz 频率范围内曲线基本重合; 这说明纵向互联不影响车辆质心侧倾角加速度，而横向互联和四角互联能改善在中低频范围内车辆质心侧倾角加速度，但不影响较高频率范围内的平顺性。
图12 质心侧倾角加速度幅频特性
从图13 可以看出: 与非互联模式相比，横向互联、纵向互联和四角互联这3 种模式在0．1 ～ 0．3 Hz的低频段和2．3 ～ 5．8 Hz 的中频段内均降低了前左车身垂向加速度功率谱密度，其中四角互联下的功率谱密度值最低，尤其在2．8 Hz 的峰值处，加速度功率谱密度降幅达36． 1%，而在5．8 ～ 20．0 Hz 的较高频范围内，4 种互联模式下垂向加速度功率谱密度基本一致。
图13 前左车身垂向加速度幅频特性
从表2 可以看出: 与非互联模式相比，横向互联、纵向互联和四角互联模式基本不影响质心处垂向加速度，纵向互联和四角互联模式可降低4．5%左右的俯仰角加速度，横向互联和四角互联模式可降低约10．2%的侧倾角加速度，横向、纵向、四角互联模式下的前左车身加速度分别有3．6%，4．5%，8．0%的改善，总体而言四角互联模式下各车身加速度改善效果最佳，横向互联和纵向互联模式则对降低侧倾角加速度和俯仰角加速度有各自的优势，上述时域分析结论与前文频域研究分析相印证。
4 结论
1) 在正弦对扭激励下，横向、纵向和四角互联模式下的前左簧上质量加速度均方根值在频率为0．5 ～ 7．0 Hz 范围内均有不同程度的改善，其中四角互联模式减振效果最佳，体现了互联空气悬架在中低频率区间内的良好隔振特性。
2) 四种互联模式下的垂向固有频率基本相同，横向互联和四角互联模式能降低24．2% 的侧倾角固有频率，但不改变俯仰角固有频率，纵向互联和四角互联能大幅降低63．3% 的俯仰角固有频率，但不改变侧倾角固有频率。
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