六轮电驱动铰接车平顺性分析

六轮电驱动铰接车平顺性分析张涛华1申焱华2黄夏旭3(北京科技大学机械学院，北京100083)摘要：建立了60吨铰接式矿用自卸车多体动力学模型，选取空载（55km/h），满载(25km/h)及瞬时路面冲击三种工况对整车进行平顺性研究，观察驾驶室质心处垂向加速度及其PSD,并以铰接体为对象，研究其对驾驶室质心处垂向加速度的影响。研究表明：D级路面下，驾驶室振动频率集中在5-8Hz，不能满足人体舒适度要求，遇到瞬时路面冲击时振动频率集中在1-2Hz，但冲击能量明显增大。由于铰接体的存在使后车架产生的振动向驾驶室传递时得到明显衰减。关键词：六轮电驱动铰接车；平顺性；ADAMS中图分类号：U461.4文献标识码：A铰接式自卸汽车(简称ADT)是一种为适应地面松软、坑洼、泥泞等恶劣路况而开发的工程车辆，前、后车架之间采用铰接点和摆动环连接，转弯半径和车架所受扭转应力均较小，其中，摆动环允许前车架相对于车体独立转动，铰接点允许前车架相对后车架可达到45°转向角，从而实现转向功能[1]。当在不平坦的路面行驶时，能够保证所有车轮与地面接触，以维持整体的稳定性、通过性和最大生产率。不同于装载机，矿用铰接式车辆一般为三轴六轮式，且后轴多采用平衡梁结构，有利于越障，正是由于这些特殊的结构，在平顺性方面，其与一般车辆有所不同。而对于电驱动铰接车，它能够利用独立控制的电机分别驱动六个车轮,动力源与车轮以及车轮与车轮之间没有机械传动环节,取消了传统汽车的离合器、变速器、传动轴、等速万向节及差速器等部件,因而,电动轮驱动汽车具有传动效率高、空间布置灵活、易于实现底盘系统的电子化和主动化等优点；由于电驱动铰接车必须使用轮毂电机驱动，这使整车重心高度降低，提高了整车的安全性和稳定性。然而，也正是由于大质量轮毂电机的引入使得整车的非簧载质量明显增加，它直接影响到轮胎的接地性能以及整车的平顺性，另外，由于矿用车行驶路况一般较差，考虑到人体对车辆振动舒适度的要求，有必要对电驱动铰接车的平顺性做深入的分析和研究，以寻求解决此类问题的办法。本文以设计过程中的60吨级六轮电驱动铰接式矿用自卸车为研究对象，综合考虑油气悬架及轮胎等非线性元件的影响,重点研究驾驶室质心处垂向加速度及其PSD的变化情况，以此来评价车辆在D级路面行驶以及遇到瞬时冲击时对人体舒适度的影响。1铰接车振动模型的建立考虑整车在垂向的振动属于低频振动，故将模型使用线性参量去简化，有如下假设：1．在平衡位置附近，车辆的振动为小幅振动。2．车辆处于匀速直线行驶状态。3．忽略质心在水平面的振动据此建立整车振动模型如图1所示：项目基金：“十一五”科技支撑计划（2008BAB32B03）专题二“60吨级双动力交流驱动铰接式自卸汽车研制”作者简介：张涛华男在读硕士1983年5月生手机[phone]邮箱[e-mail]图1整车振动模型Fig.1Vehiclevibrationmodel该模型的振动方程如下：ttYYYQQMCKCK（1）12122232425262[]TaYZZZZZZZ（2）112131415161TQZZZZZZ（3）采用拉格朗日方法建立车辆简化模型的动力学方程，其中M,C,K分别为系统的质量矩阵，阻尼矩阵和刚度矩阵。通过对动力学方程做状态空间变换和傅里叶变换，求取系统变量对路面激励的时域和频域特征曲线。针对不同的前后悬架刚度，路面激励等情况[2]，得到了车辆驾驶室、铰接点处的垂直和倾斜方向的振动响应变化曲线，并在频域中分析了系统比较敏感的频率范围。使用该方法时，需要对实际车辆作出相当的简化以建立数学模型，例如没有考虑到轮胎的转动惯量、悬挂系统和车架连接形式和悬挂支点到车轮之间的距离等，使得得出的结论会偏离实际情况。另外，当涉及的系统变量比较多时，矩阵的维数会很大，使得方程的求解比较困难。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，可以解决以上数学模型中的问题[3]，满足本车平顺性分析的要求。2铰接车仿真模型的建立与分析2.1.整车模型及时域路面的建立为保证建模的准确性，首先在SolidWorks中软件建立整车三维模型，然后导入多体动力学软件ADAMS中进行分析。图2整车三维模型Fig.2Three-dimensionalmodelofthevehicle表1整车主要结构参数Table1Vehiclemainstructuralparameters结构名称参数值单位整车质量33450kg前桥负载19542kg后桥负载73900Kg轮距3.117m当量轴距5.244m铰点至前桥距1.602mADAMS整车模型包括前后车架、铰接体、回转支撑、悬架系统、货箱等24个构件，9个旋转副（RevoluteJoints），3个球副（SphericalJoints），6个滑移副（TranslationalJoints），2个固定副（FixedJoints），共计39个自由度。在本模型中前、后车架以铰接架和回转支撑连接，前车架以铰接点为中心整体转向，回转支撑允许前、后车架独立转动以减小车架扭转应力。另外，由于本车结构的限制，后桥处未使用任何弹性元件，采取刚性连接方式。在综合考虑计算精度与运算速度后，进行仿真时对模型做如下处理[4]：（1）模型中的非线性只考虑轮胎，驾驶室以及前油气悬架。（2）施加路面激励时，转向与举升缸锁死，以减少扰动源。轮胎的非线性对整车平顺性有很大的影响，在轮胎模型的选择上本文选择UA轮胎模型，它采用弹性梁模型进行建模，使用摩擦圆概念计算由侧偏角、滑移率以及垂向变形等综合因素影响下的力和力矩，能够满足振动状况下性能参数的需要[5-6]。表2轮胎模型特性参数Table2Tiremodelparameters参数名称参数值单位轮胎自由半径940.5mm轮胎宽度883mm轮胎径向刚度420000N/m轮胎阻尼8500Ns/m轮胎侧偏刚度200000N/rad轮胎纵向滑移刚度800000N/rad滚动阻力系数0.09考虑矿山道路的实际情况，选用D级路面作为本车平顺性分析路面。路面随机激励的生成，本文采用滤波白噪声法,根据式（4）[7-8]，利用Matlab/Simulink,搭建模型，并采用有理函数参数估计建立路面不平度时域数学模型，twtuqtq（4）式中tq——车轮所受到的路面随机激励；tw——白噪声；u——车速；——所选路面的空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中包含的波数，对于D级路面：1007.0（1/m）。2.2工况分析车辆的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，通常以路面不平度和车速作为车辆振动系统的“输入”，并通过轮胎，悬架，座椅等弹性、阻尼元件传至人体，得到振动系统的“输出”即人体的加速度，此加速度通过人体对振动的反应——舒适性来评价汽车的平顺性[9]。对于矿用车而言其行驶路况一般较差，且载荷及车速的变化范围较宽，为分析本车平顺性的极限情况，分别取满载（车速25km/h）和空载（车速55km/h）以及遇到路面瞬时冲击三种路况进行研究，通过分析驾驶室质心处的振动情况对其平顺性做出评价。工况一：满载，25km/h根据前文给出的时域路面随机激励的建模方法，得到D级路面，25km/h行驶时的随机路面激励，如图3示：图3，D级随机路面激励（25km/h）Fig.3D-levelrandomroadexcitation(25km/h)图4驾驶室垂向加速度（满载，25km/h）Fig.4Cabverticalacceleration（full-load,25km/h）图5驾驶室垂向加速度PSD（满载，25km/h）Fig.5CabverticalaccelerationPSD（full-load,25km/h）由图4分析，车辆在D级随机路面下，满载，以25km/h行驶时，驾驶室质心处垂向加速度峰值8.2965m/s2，为对其进一步研究,对图4曲线进行FFT变换，得到驾驶室质心处的PSD曲线，如图5示，可以看到，在此工况下驾驶室质心处振动频率集中在3-10Hz，由于人体坐标的垂直振动敏感频率是4-8Hz，显然，满载时在该频段振动能量会很大，也即传递到人身体上这部分频段的能量较强。工况二：空载，55km/h除满载工况，矿用车很长时间内处于空载状态，在这种工况下车速较高，因此，有必要对其平顺性进行研究。图6，D级随机路面激励（55km/h）Fig.6D-levelrandomroadexcitation(25km/h)图7驾驶室垂向加速度（空载，55km/h）Fig.7Cabverticalacceleration（non-load,55km/h）图8驾驶室垂向加速度PSD（空载，55km/h）Fig.5CabverticalaccelerationPSD（non-load,25km/h）对比图5，由图7可以看出，当整车载重减小，而速度提高时，驾驶室质心处垂向加速度有明显的增大，峰值由满载时的8.2965m/s2增加到10.9225m/s2，其对应的PSD峰值也由满载时的1.1625m2/Hz-sec4上升至2.348m2/Hz-sec4，峰值对应的频率由5.8594Hz偏移至5.6641Hz,略有减小，但能量的最高值仍集中在3-8Hz之间，表明在空车情况下，假若驾驶员长期工作，对其身体仍有伤害。工况三：匀速行驶中遇到瞬时冲击矿用汽车由于使用环境的原因，经常会遇到类似于较大凸起或坑陷等路面冲击，这种瞬时的冲击无论是对整车性能，还是对于驾驶员的身体，都会有一定的损害。图9凸起冲击（2m/s）Fig.9Raisedimpact图10遇到凸起驾驶室质心垂向加速度（2m/s）Fig.10CabverticalaccelerationwhenmeetingRaisedimpact(2m/s)图10遇到凸起驾驶室质心垂向加速度PSD（2m/s）Fig.10CabverticalaccelerationPSDwhenmeetingRaisedimpact(2m/s)本车后桥处采用平衡梁结构，设置凸块尺寸分别为0.4*2m和0.2*1m（高度*宽度），用来模拟瞬时路面冲击。通过对比图10和图11可以看到，对应于不同高度和宽度的凸起冲击，驾驶室质心垂向加速度相差较大，凸块高度达到0.4m时加速度峰值达到4.5m/s2,冲击能量较D级路面也大出很多，但其振动频率多集中在1-2Hz，人体的敏感程度有所下降，尽管如此这种短暂的冲击仍会降低驾驶驾驶员的舒适性，应尽量避免3铰接体的影响铰接式自卸车之所以不同于刚性车，在很大程度上取决于其铰接体，由于铰接体的存在使其转弯半径相比同轮距的刚性车要小得多，除此之外，由于铰接体连接前后车架时存在相对转动，这在某种程度上近似于柔性化，有利于衰减后车架产生的振动向驾驶室的传递，可减少对人体的随害程度。据此，可通过锁住模型中连接前后车架的铰接体，使整车相当于刚性车，通过对比观察驾驶室质心处垂向加速度及其PSD，从而判断铰接体在衰减后车架振动传递方面是否起到作用。图12驾驶室垂向加速度Fig.12Cabverticalacceleration图13驾驶室垂向加速度PSDFig.13CabverticalaccelerationPSD通过对比发现，当模型中铰接体被锁住后，驾驶室质心处加速度及其PSD都有上升，且增幅明显，这表明铰接体的存在确实在很大程度上有利于衰减后车架的振动向驾驶室传递，对于提高驾驶员的工作舒适性有很大作用。另外，对于电驱动矿用车而言，其轮毂电机质量较大，这明显提高了车辆的非簧载质量[10]，为验证这一因素对驾驶室垂向加速度及其PSD的影响，将整车的非簧载质量依次增加500kg,1000kg以及1500kg。通过仿真分析发现非簧载质量增加对驾驶室垂向加速度及其PSD的影响并不是很明显，在以后的研究过程中此方面因素可不予考虑。4结