轻型卡车驾驶室悬置系统优化匹配设计研究

轻型卡车驾驶室悬置系统优化匹配设计研究郭福祥1，史文库2，王世朝2（1、南京依维柯汽车有限公司；2、吉林大学汽车工程学院）摘要：汽车的振动与噪声性能现在越来越得到消费者的重视，也越来越成为摆在汽车制造商以及研究人员面前的一个重大课题。

在轻型商用车上，由于成本以及布置空间等原因，无法采用像重型车上的全浮式减振方式。

常用的方法是对驾驶室的悬置进行优化匹配，使其在各个频段下都有较好的振动隔离效果。

本文着眼于轻型卡车驾驶室悬置的匹配分析，从驾驶室惯性参数获取到驾驶室悬置的匹配优化，分析形成了一个完整的匹配方法过程。

这将对驾驶室悬置的匹配具有良好的指导借鉴意义。

关键词：驾驶室悬置；惯性参数；能量解耦；遗传算法；匹配；中图分类号：U463.83文献标识码：AMatch and Optimization of Light Truck Cab MountGUO Fu-xiang1,SHI Wen-ku2,WANG Shi-chao3（1、Nanjing Iveco Co.Ltd; 2、College of Automotive Engineering, Jilin University）Abstract：People take more and more attention on vehicle NVH performance for its significance for vehicle ride comfort，it is also a more and more important challenge for vehicle manufacturers.Because of cost and fit space reason，light truck have little chance to install float drive cab as heavy truck use。

Manufacturers usually match stiffness，to isolate vibration all over large frequency range.This paper is focus on the match and analysis for light truck cab mount，including vibration source analysis，inertia parameter achieving and optimizing for cab mount.A full matching chain is completed and have good reference for other light truck cab mount.Key words：Drive cab mount；Inertia Parameter；Energy Decoupling；Genetic Algorithm；Matching12驾驶室悬置对车辆行驶的舒适性有着重要的作用，现在的汽车制造商越来越重视驾驶室悬置系统的匹配。

在轻型卡车上，由于受到成本控制和安装空间等多方面因素的限制，通过优化驾驶室悬置的刚度就成了一种比较简单可行的优化方式。

相对于普通动力总成的匹配优化，驾驶室悬置匹配除了考虑能量解耦与频率分布之外，由于驾驶室成员对驾驶室姿态变化非常敏感，因此悬置对于驾驶室的稳定姿态控制能力也是要重点考虑的问题【1】【2】。

本文参考动力总成悬置的设计匹配方法，从驾驶室的惯性参数识别到悬置优化匹配均进行了将为详细的试验和计算工作，形成了一整套驾驶室悬置匹配的过程和方法，对驾驶室的悬置系统匹配具有较强的实用性与指导意义。

1.驾驶室惯性参数获取驾驶室惯性参数获取是采用基于试验模态分析技术的一种刚体惯性参数识别方法。

将试验对象采用一定的弹性结构支撑起来，使驾驶室在激励作用下产生1国家自然科学基金资助项目(51205158)2中国博士后科学基金面上资助项目(2013M541294) 一定频率的刚体模态。

这种基于无阻尼线性弹性支承系统的刚体惯性参数识别方法能有效地简化振动试验系统的复杂性，易于实施试验模态分析，有利于提高参数识别的精度【3】【1】。

图1驾驶室质心参数获取驾驶室可以视为刚体，悬置元件可以简化为三个相互垂直的具有阻尼的线弹性弹簧。

将与之连接的车架视为刚性的。

悬置系统可以看作具有六自由度的空间振动系统。

图 2 驾驶室动力学模型在试验过程中，首先设定坐标原点，并相对于该坐标原点，建立了一个驾驶室坐标系，车身向后的纵向为X 正向，驾驶室右侧为Y 正方向，垂直向上为Z向。

得到了驾驶室振动的微分方程【4】：MxCx Kx F ++= （1） 由于微分方程通解的形式是j tx Xeω=，对方程进行傅里叶变换得到了21()()()M K X j F j ωωω-=（2）其中M 矩阵是驾驶室在OXYZ 坐标下的广义质量阵cl lm m M m J -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦；000000c m m m m ⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦； 000cmcm l cmcm cmcmmz my m mz mx my mx -⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦； ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------=zz yz xz yz yy xy xz xy xx J J J J J J J J J J ；{,,,,,}'X x y z αβγ=是位移列向量，{,,,,,}'x y z F f f f T T T αβγ=是力和力矩向量。

x ,y ,z 是相对于O 点的三向加速度，,,αβγ是相对于O 点的角位移向量，方程中的未知参数是,,,,,,,c m c m c m x x x y x z y y y z z zx y z J J J J J J ，由于质心坐标,,cm cm cm x y z 与惯量,,,,,xx xy xz yy yz zz J J J J J J 不耦合，可以将方程降阶为一个3阶方程和一个6阶方程。

121[][](2)cm x cm y cm z x f x m y f m y K X f z f z φπ⎧⎫⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪=-+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭⎩⎭（3） 其中0[]00m m m m m m m φγβγαβα-⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦221[][](2)xx yy zz xy xz yz J J T J T K X J f T J J αβγφπ⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪=+⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭（4） 其中000[]0000αβγφβαγγαβ--⎡⎤⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥--⎣⎦136236[][],2[]K K f K ωπ⨯⨯⎡⎤==⎢⎥⎣⎦。

利用数据采集和处理软件中的相关程序，求解方程（3）、（4）就可以计算出驾驶室的质心以及转动惯量等相关参数，为后续的计算提供依据。

驾驶室质量为553kg ，而表1是结合称重法测质心方法获得的驾驶室质心和惯性参数。

表格1驾驶室质心及惯性参数质心位置mmX -653.11相对前左右悬置中心连线中点向后Y 5.99相对驾驶室中间线偏左Z 475.45相对前左右悬置中心连线中点向上惯性参数2*Kg m转动惯量 惯性积xx J215 xy J16.7 yy J112 xz J21.4 zz J170yz J-69.32悬置系统优化匹配2.1 解耦优化目前，悬置系统匹配主要采用能量解耦法【5】。

能量解耦法主要是优化驾驶室振动能量在六个自由度上的分布，在驾驶室悬置匹配的初级阶段比较适用。

本文将结合驾驶室悬置系统的频率分布进行综合优化。

驾驶室的振动形式取决于物体质心的位置、主惯性轴位置、扰动力的方向及作用点、悬置的刚度特性以及布置位置等【6】。

车辆的驾驶室形式无法改变，使得驾驶室的质心、主惯性轴以及相应的惯性参数都无法改变。

因此，本文采取的匹配设计方法是对驾驶室悬置的三向刚度进行优化设计。

系统的固有振动频率与阻尼无关，对于解耦运算可以忽略。

建立驾驶室振动微分方程（1），对驾驶室进行解耦运算时，需要求解其特征方程。

02=-ωM K （5）在求解过程中，需要对M 矩阵进行正规化处理02211=-=---ωωE Q M M K M （6）求得的值就是矩阵Q 的特征值，可以得到驾驶室振动系统的刚体振动模态以及对应的模态频率，然后再计算驾驶室振动系统的能量解耦分布【7】。

驾驶室振动系统在j 阶振动模态下得总的振动动能：266()max11()()2jj j kkl j l k l Tm ωφφ===∑∑（7）其中，()j k φ表示驾驶室的j 阶振动向量中的第k个自由度的位移，j ω表示驾驶室j 阶刚体模态对应的圆频率，kl m 对应惯性矩阵中的第k 行l 列个元素。

驾驶室振动系统动能在某一自由度的分布：26()1()()2jj k j k kl j l l T m ωφφ==∑（8）在j 阶振动模态下，驾驶室振动系统第k 个自由度振动动能占总动能的比值：()()max100%j k j T DIP T =⨯（9）DIP 的值为100%，表明振动系统在该自由度的振动与其他自由度完全解耦，振动不发生耦合。

通常情况下，振动系统的振动解耦程度越高越好。

对驾驶室振动系统进行优化计算采用的是遗传算法（Genetic algorithm ，GA ）。

这是John Holland 提出的一种全局优化算法，近年来被越来越多的用于各个领域，具有简单易用、鲁棒性好等优点【8】。

其原理是以可行域空间中的所有的个体为对象，利用随机化技术对这个空间进行搜索。

选择适应度相对高的个体进行遗传操作。

为了防止优化陷入局部最优解，在遗传操作过程中还包含变异操作。

通过若干代的遗传操作，获得最优解【9】。

利用遗传算法相关原理通过编写程序，来进行驾驶室振动能量解耦计算和频率分布优化分析，首先要确定合适的目标函数。

悬置优化过程中能量解耦子目标函数：611(100())i ii i J w DIP x ==-∑（10）频率分布的子目标函数：621i s i J w S ==∑（11）|()|()0iiobj iobjl i iobjui f x g g f x g S -≤≤⎧=⎨⎩其他()i f x 表示第i 个自由度的频率，X 表示对应的自由度。

iobjl g 表示频率的合理的频率带下限，iobju g 表示合理的频率带上限。

1J 与2J 在量级上相差很大，因此需要对这两个目标函数进行规格化处理。

i Ti J J αβα-=-（12） ,αβ分别表示函数值的下、上限。

则统一目标函数为21i Ti i J w J ==∑（13）i w 为加权因子。

通过对子目标函数进行不同的加权求和计算，就得到了驾驶室悬置系统优化的目标函数【3】。