计及导向摆臂约束的重型货车驾驶室俯仰平面动力学模型

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.01.018

摘要/Abstract

摘要：

传统的重型货车驾驶室俯仰平面动力学模型没有考虑悬置导向机构的影响，仅能粗略计算驾驶室垂向和俯仰响应，无法计算驾驶室质心的纵向振动特性，因而其仿真精度较低，且在实际工程应用中受到了限制。为提高模型精度并拓宽其工程应用范围，创建了考虑导向摆臂约束作用的驾驶室俯仰平面动力学模型，分析了摆臂导向机构的约束特性。在此基础上，通过道路试验，对所建模型进行了验证。结果表明，所建模型的仿真精度更高，工程应用范围更广，它能有效复现驾驶室系统的真实动力学响应。而且，该模型不仅可用于驾驶室垂向、俯仰和纵向振动响应特性的分析，还可用于考虑驾驶室纵向振动舒适性的悬置控制策略的开发，以及导向摆臂摆角、减振器摆角和驾驶室悬置系统其它动力学参数的估计等。

关键词: 重型货车, 驾驶室, 舒适性, 俯仰平面动力学模型, 导向摆臂, 约束特性

Abstract:

The traditional cab pitching?plane dynamics model doesn't consider the effects of swing arm guiding mechanism in cab mount， and can only roughly calculate the cab's vertical and pitching responses， but can't analyze its longitudinal vibration characteristics， thus its accuracy is relatively low with limited real engineering application. To enhance the model accuracy and widen its application scope， a cab pitching?plane dynamics model considering the constraint of guiding swing arm is established， and the constraint characteristics of swing arm guiding mechanism are analyzed. On this basis， the dynamics model constructed is verified by road test. The results show that the model constructed has higher accuracy and wider engineering application range， it can more effectively reproduce the real dynamic responses of cab system. Furthermore， the model can be used not only for the analysis of the cab's vertical， pitching， and longitudinal vibration characteristics， but also for the development of the cab mount control strategies considering the cab's longitudinal vibration comfort， as well as for the estimation of the swing angles of guiding arm and shock absorber， and other dynamics parameters of the cab mount system etc.

Key words: heavy trucks, cab, comfort, pitching?plane dynamics model, guiding swing arm, constraint characteristics

赵雷雷,于曰伟,周长城,黄德惠,袁建. 计及导向摆臂约束的重型货车驾驶室俯仰平面动力学模型[J]. 汽车工程, 2021, 43(1): 136-144.

Leilei Zhao,Yuewei Yu,Changcheng Zhou,Dehui Huang,Jian Yuan. Pitching‑Plane Dynamics Model of Heavy Truck Cab Considering Constraints of Guiding Swing Arm[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(1): 136-144.

图/表 13

图 1

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参考文献 20

1	MAHAJAN K， VELAGA N R， KUMAR A，et al. Effects of driver work⁃rest patterns， lifestyle and payment incentives on long⁃haul truck driver sleepiness［J］. Transportation Research Part F： Traffic Psychology and Behaviour， 2019， 60： 366-382.
2	赵雷雷，于曰伟，周长城. 特种车辆驾驶室减振器节流阀片开度及阻尼特性研究［J］. 兵工学报. 2018， 39（4）： 645-654.
	ZHAO L L， YU Y W， ZHOU C C. Throttle slice opening size and damping characteristics of cab damper for special vehicles ［J］. Acta Armamentarii， 2018， 39（4）， 645-654.
3	黄德惠，李胜，李栋，等. 商用车驾驶室全浮悬置系统正向开发流程研究［J］. 汽车工程， 2016， 38（10）： 1227-1231.
	HUANG D H， LI S， LI D， et al. A research on the forward development procedure for the full⁃float mounting system of a commercial vehicle cab ［J］. Automotive Engineering， 2016， 38（10）： 1227-1231.
4	ROY J， LAW E H. Effect of cab suspension configuration and location on tractor semi⁃trailer driver comfort［J］. SAE International Journal of Commercial Vehicles， 2016， 9（2）： 405-416.
5	刘维达，王铁，申晋宪，等. 基于响应面法的驾驶室悬置系统平顺性优化［J］. 汽车工程， 2017， 39（3）： 323-334.
	LIU W D， WANG T， SHEN J X， et al. Ride comfort optimization of cab mounts based on response surface method ［J］. Automotive Engineering， 2017， 39（3）： 323-334.
6	赵林峰，胡金芳，张荣芸. 重型牵引车驾驶室悬置与悬架参数的集成优化设计［J］. 中国机械工程， 2016， 27（6）： 791-880.
	ZHAO L F， HU J F， ZHANG R Y. Integrated optimization design of cab suspension and suspension parameters for heavy tractor ［J］. China Mechanical Engineering， 2016， 27（6）： 791-880.
7	JAMALI A， SHAMS H， FASIHOZAMAN M. Pareto multi⁃objective optimum design of vehicle suspension system under random road excitations［J］. Proc IMechE Part K： J Multi⁃body Dynamics， 2014， DOI：10.1177/1464419314531757. doi: 10.1177/1464419314531757
8	AKÇAY H ， TÜRKAY S. Stochastic optimal control of truck cabin with active suspension［J］. Int. J. Heavy Vehicle Systems， 2014， 21（3）： 183-207.
9	赵雷雷，李胜，黄德惠，等. 重型商用车平衡悬架性能研究及分析平台构建［J］. 汽车技术， 2015（2）： 48-52.
	ZHAO L L， LI S， HUANG D H， et al. Study on performance of balanced suspension for heavy commercial vehicle and platform construction analysis ［J］. Automotive Technology， 2015（2）： 48-52.
10	SPIVEY C R. Analysis of ride quality of tractor semi⁃trailers［D］. Clemson： Clemson University， 2007.
11	赵雷雷. 载货车座椅-驾驶室耦合系统的五悬置振动理论研究［D］. 北京：北京邮电大学， 2019.
	ZHAO L L. Five⁃suspensions vibration theory of seat⁃cab coupled system for trucks ［D］. Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications， 2019.
12	. Mechanical vibration and shock⁃evaluation of human exposure to whole⁃driver vibration⁃part1： general requirements［S］. International Organization for Standardization： Geneva， 1997.
13	SIM K， LEE H， YOON J， et al. Effectiveness evaluation of hydro⁃pneumatic and semi⁃active cab suspension for the improvement of ride comfort of agricultural tractors［J］. Journal of Terramechanics， 2017， 69： 23-32.
14	黄山云，陈彬，涂奉臣，等. 重卡驾驶室半主动悬置控制方法［J］. 振动、测试与诊断， 2016， 36（1）： 176-205.
	HUANG S Y， CHEN B， TU F C， et al. Research on control method for semi⁃active heavy truck cab mounting system ［J］. Journal of Vibration， Measurement and Diagnosis， 2016， 36（1）： 176-205.
15	WANG K， GAO F. Vibration isolation analysis and optimization of commercial vehicle cab suspension system［C］. SAE Paper 2018-01-1405.
16	王国林，李凯强，杨建. 商用车驾驶室悬置仿真与隔振性能优化［J］. 汽车工程， 2017， 39（9）： 1081-1086.
	WANG G L， LI K Q， YANG J. Simulation and vibration isolation optimization on the cab mount of a commercial vehicle ［J］. Automotive Engineering， 2017， 39（9）： 1081-1086.
17	ZHAO L L， ZHOU C C， YU Y W， et al. Hybrid modelling and damping collaborative optimisation of five⁃suspensions for coupling driver⁃seat⁃cab system［J］. Vehicle System Dynamics， 2016， 54（5）： 667-688.
18	CAFFARO F， CREMASCO M M， PRETI C， et al. Ergonomic analysis of the effects of a telehandler's active suspended cab on whole body vibration level and operator comfort［J］. International Journal of Industrial Ergonomics， 2016， 53： 19-26.
19	周长城，赵雷雷. 车辆悬架弹性力学解析计算理论［M］. 北京：机械工业出版社， 2012
	ZHOU C C， ZHAO L L. Analytical calculation theory of elastic mechanics for vehicle suspensions ［M］. Beijing： China Machine Press， 2012.
20	ZHAO L L， ZHOU C C， YU Y W， et al. Dynamic parameter⁃integrated identification of cabin system for heavy trucks［J］. Arabian Journal for Science and Engineering， 2017， 42：1699-1706.

参数	数值	参数	数值
m / kg	421.4	K_f/ (kN·m^-1)	43.2
J / (kg·m²)	409.0	K_r/ (kN·m^-1)	20.7
C_ff / (N·s·m^-1)	6 479.1	C_fy/ (N·s·m^-1)	2 362.3
C_rf / (N·s·m^-1)	2 804.2	C_ry/ (N·s·m^-1)	826.1

车速/ (km·h^-1)	振动方向	试验值/ (m·s^-2)	考虑约束		不考虑约束
车速/ (km·h^-1)	振动方向	试验值/ (m·s^-2)	仿真值/(m·s^-2)	相对偏差/%	仿真值/(m·s^-2)	相对偏差/%
50	垂向	0.67	0.62	7.5	0.58	13.4
50	纵向	0.41	0.37	9.8	0.25	39.0
60	垂向	0.71	0.63	11.3	0.59	16.9
60	纵向	0.42	0.38	9.5	0.25	40.5
70	垂向	0.72	0.64	11.1	0.61	15.3
70	纵向	0.45	0.40	11.0	0.26	42.2
80	垂向	0.74	0.66	10.8	0.62	16.2
80	纵向	0.46	0.41	10.9	0.27	41.3
90	垂向	0.75	0.67	10.7	0.64	14.6
90	纵向	0.46	0.40	13.0	0.29	37.0
100	垂向	0.78	0.70	10.2	0.65	16.7
100	纵向	0.49	0.42	14.3	0.30	38.8

车速/(km·h^-1)	控制器1		控制器2
车速/(km·h^-1)	垂向	纵向	垂向	纵向
50	0.49	0.32	0.50	0.27
60	0.50	0.33	0.51	0.29
70	0.52	0.38	0.53	0.30
80	0.54	0.39	0.54	0.32
90	0.55	0.39	0.55	0.33
100	0.57	0.40	0.58	0.35

车速/(km·h^-1)	导向摆臂的摆角/(°)
车速/(km·h^-1)	最小值	最大值
50	-2.4	2.5
60	-3.1	3.4
70	-3.6	3.5
80	-3.9	4.0
90	-5.8	6.1
100	-7.1	7.4

车速/(km·h^-1)	前减振器摆角/(°)		后减振器摆角/(°)
车速/(km·h^-1)	最小值	最大值	最小值	最大值
50	-2.0	2.3	-2.2	2.6
60	-2.9	3.1	-3.0	3.4
70	-3.5	3.6	-3.8	4.0
80	-3.8	4.2	-4.1	4.8
90	-5.4	6.3	-5.8	6.2
100	-6.7	7.0	-6.9	6.6