惯容与阻尼串联式ISD悬架实车道路试验*

2016219

惯容与阻尼串联式ISD悬架实车道路试验*

张孝良，张华新，蒋 涛

(江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013)

[摘要] 针对5元件ISD悬架元件多、结构复杂、布置困难等问题，设计了一种3元件ISD悬架，研制了其惯容与阻尼串联式液力惯容器装置，并将该装置安装于某型军用越野车的前、后悬架上。偏频试验结果表明，与传统悬架相比，ISD悬架前、后车身偏频分别降低了23.3%和12.5%，且相应偏频处的功率谱密度峰值分别减小了45%和50%。平顺性试验结果表明，ISD悬架能有效抑制车身的垂向、俯仰与侧倾振动，明显提高了汽车的行驶平顺性。3元件ISD悬架元件少、结构简单、易于实现，为ISD悬架的产业化奠定了技术基础。

关键词：ISD悬架；惯容器；道路试验；行驶平顺性

前言

传统被动悬架主要由弹性元件和阻尼元件组成，进一步提高其性能的潜力已经接近极限[1-3]。惯容器(inerter)的出现，“惯容-弹簧-阻尼”(inerter-spring-damper, ISD)悬架新结构体系的提出，打破了基于经典隔振理论的“弹簧-阻尼”结构体系对悬架性能进一步提高的制约瓶颈，为悬架新技术发展提供了一个崭新的平台，ISD悬架已经成为了被动悬架技术发展的新方向[4-9]。

文献[10]中提出了一种3元件ISD悬架，它由惯容器与阻尼元件串联再与主弹簧并联组成，基于整车模型的理论研究表明，这种悬架能够有效改善汽车的乘坐舒适性。文献[11]中建立了该型悬架的火车模型，仿真结果表明，它能够改善火车的乘坐舒适性，提高火车的系统动态性和稳定性。文献[12]中基于ISD悬架结构体系，提出了一种理想天棚阻尼的被动实现方法，设计了被动天棚阻尼悬架系统，以被动的形式实现了理想天棚阻尼的主要功能，达到了抑制车身共振的目的，提高了汽车的乘坐舒适性。文献[13]中基于Routh稳定判据，采用Pade逼近法可将5元件的被动天棚阻尼悬架降阶为上述的3元件ISD悬架，这表明，3元件ISD悬架也能实现天棚阻尼的主要功能。综上所述，可以看出，3元件ISD悬架不仅能通过抑制车身共振提高汽车的乘坐舒适性，而且所需元件数少、结构简单、易于实现。但迄今为止，对该悬架的研究还仅限于理论和仿真阶段。

本文中按照文献[13]中提出的被动天棚阻尼悬架降阶与优化方法，设计了3元件ISD悬架系统，研制一种集惯容和阻尼于一体的液力惯容器装置，并将该装置安装于某型军用越野车前、后悬架，对实车进行偏频和平顺性道路试验，进一步验证降阶优化方法及3元件ISD悬架的有效性与可行性。

1 悬架样机

降阶后的ISD悬架由惯容器与阻尼串联后再与弹簧并联组成[13]，因此，悬架样机采用原车弹簧，其中前悬架为扭杆弹簧，后悬架为钢板弹簧，并研制惯容器与减振器一体式液力惯容器装置，替换原车减振器。该液力惯容器装置由单筒减振器、金属螺旋管和氮气罐依次串联组成，如图1所示。图中1～4构成单筒减振器，活塞2驱动油液在金属螺旋管5中高速旋转时，各圈紧并的金属管中的油液相当于一个空心圆柱液体飞轮，能够产生较大的惯性，形成惯容器。单筒减振器与金属螺旋管串联实现了惯容与阻尼的串联关系。外置氮气罐6主要用来驱动油液回流，同时补偿因活塞杆4进出和油温变化引起的油液体积的变化。

图1 液力惯容器原理图

图2 液力惯容器实物图

液力惯容器实物如图2所示。它安装在某型军用越野车的前、后悬处，其中，前悬为独立悬架，后悬为非独立悬架。前悬液力惯容器的螺旋管内径为6mm，螺旋直径为180mm，螺距为8mm，螺旋管圈数为16圈，减振器缸筒内直径为46.4mm，油液密度为1 000kg·m-3。后悬液力惯容器的螺旋管圈数为20圈，其余各参数与前悬惯容器相同。实车布置如图3所示。

图3 ISD悬架样机

2 整车试验系统

试验车的主要参数为：整备质量2 850kg，满载质量4 450kg，轴距2 800mm，轮距1 670mm，轮胎型号与尺寸255/85 R16，轮胎充气压力350kPa。试验系统的主要仪器设备包括：比利时LMS公司的SCADAS数据采集系统；德国DEUTA-WERKE公司的测速仪；美国PCB公司的33B30型加速度传感器；德国米铱公司的WDS-500MP(W)位移传感器；美国Crossbow公司的VG400 CC-200陀螺仪等。

测速仪固定于距离地面50mm的车门处，测量汽车行驶速度。陀螺仪安装于车身质心处，用于采集车身俯仰、侧倾和横摆角速度以及侧倾角和侧向加速度等信号。同时布置7个加速度传感器和2个位移传感器，分别用于采集驾驶员座椅垂直加速度、车厢地板中心垂直加速度、质心垂直加速度、以及左前与左后车身垂直加速度信号、左前与左后车轴垂直加速度信号和左前悬架与左后悬架动行程等信号。采用LMS高速数据采集系统，配合LMS Express软件，实时采集试验数据，将各路信号记录并保存到计算机上进行处理，试验系统的构成如图4所示。

图4 整车试验系统构成图

3 试验结果与性能分析

3.1 车身偏频试验

试验采用抛下法测定ISD悬架的偏频。试验前保证试验车前、后车轮处于MTS320轮胎耦合道路模拟机的4个激振台中心，设置激振台高度至平衡位置，然后控制激振台突然卸掉载荷并下行至-60mm的位置，将汽车抛下，使之自由振动。

采用频率分析法，将时域响应数据转化为系统的频域响应数据，绘制悬架频域响应试验曲线如图5所示。

图5 车身偏频试验

由图5可知，传统被动悬架前、后车身偏频分别为2.15和2Hz；ISD悬架前、后车身偏频分别为1.65和1.75Hz。与传统被动悬架相比，ISD悬架前、后车身偏频分别下降了23.3%和12.5%，且相应偏频处的功率谱密度峰值分别减小了45%和50%。可见，ISD悬架有利于降低车身偏频，改善汽车的低频响应特性，提高汽车的隔振性能。

3.2 脉冲输入行驶试验

参照GB/T 4970—2009《汽车平顺性试验方法》的试验规定，对试验车进行脉冲输入行驶试验，测量试验车的最大垂直加速度，分析人体和试验车受到的极限冲击情况，车速分别为10，20，30，40，50和60km/h。图6给出了以40km/h车速进行脉冲试验时系统时域响应试验结果。

图6 脉冲输入试验结果(v=40km·h-1)

为了比较脉冲输入下ISD悬架和传统悬架的性能，采用各次试验最大(绝对值)加速度响应均值作为评价指标：

式中：n为脉冲试验有效试验次数；

为第i次试验结果的最大加速度响应。

计算得到各车速下驾驶员座椅和车厢地板中心两处的Z向最大加速度均值如图7所示。

图7 脉冲响应试验结果对比图

由图7可见，与传统被动悬架相比，ISD悬架在车速为10，20，30，40，50和60km/h时，驾驶员座椅处Z向最大加速度响应值分别减小了19.7%，5.1%，9.4%，16.8%，19.0%和2.4%；车厢地板中心处Z向最大加速度响应值分别减小了1.1%，26.7%，37.3%，35.4%，14.1%和16.3%。可见，ISD悬架不仅有效抑制了驾驶员座椅处的振动，还能够抑制车厢的跳动，改善了汽车行驶平顺性。

3.3 道路试验

参照GB/T 4970—2009《汽车平顺性试验方法》的试验规定，试验车辆分别以30，40，50和60km/h的车速在C级路面上进行随机输入行驶试验。试验结果见表3。

由表3可知，与传统被动悬架相比，ISD悬架在车速为30，40，50和60km/h下，表中所列各响应值皆有不同程度的降低，最大降幅达26.9%。说明在悬架动行程没有明显恶化的前提下，ISD悬架系统有效抑制了车身的垂向、俯仰与侧倾振动，明显改善了汽车行驶平顺性；而且，由于车轴加速度的大小能间接反映车辆轮胎动载荷大小[14]，上述试验结果还表明，ISD悬架能够降低轮胎动载荷的大小，提高轮胎的接地性能。

3.4 蛇行试验

参照标准GB/T 6363—2014《汽车操纵稳定性试验方法》的规定，试验车辆以50km/h的稳定车速蛇行通过标桩间距为30m的试验路段。选取车身横摆角速度、车身侧倾角和车身侧向加速度为试验测取量，试验结果见表4。

由表4可知，ISD悬架可以小幅降低汽车转向时的车身横摆角速度、侧倾角和侧向加速度，在改善汽车行驶平顺性的同时，兼顾了操纵稳定性。

4 结论

(1) 在偏频试验中，与传统被动悬架相比，ISD悬架前、后车身偏频均有所降低，其中，前车身偏频从2.15Hz降到了1.65Hz，后车身偏频从2Hz降到了1.75Hz，前、后车身偏频分别降低了23.3%和12.5%，且相应偏频处的功率谱密度峰值分别减少了45%和50%，表明ISD悬架改善了汽车的低频响应特性，提高了汽车的隔振性能。

(2) 脉冲试验和随机路面试验表明，在悬架动行程没有明显恶化的前提下，ISD悬架有效抑制了车身与车轴的垂向振动和车身的俯仰与侧倾振动，提高了汽车的行驶平顺性。蛇行试验表明，ISD悬架在改善汽车行驶平顺性的同时，兼顾了操纵稳定性。

表3 随机输入行驶试验响应均方根值

车速/(km·h-1)悬架类型左前车身垂直加速度/(m·s-2)左前车轴垂直加速度/(m·s-2)左后车身垂直加速度/(m·s-2)左后车轴垂直加速度/(m·s-2)左前悬架动行程/mm左后悬架动行程/mm质心垂直加速度/(m·s-2)车身俯仰加速度/(rad·s-2)车身侧倾加速度/(rad·s-2)30传统被动悬架0.75521.91900.80191.20255.93134.59710.49020.83560.9383ISD悬架0.64951.77560.64391.19275.51224.39050.42550.81760.8858降幅14.0%7.5%19.7%0.8%7.1%4.5%13.2%2.2%5.6%40传统被动悬架0.85382.64000.82361.60266.44715.11750.40400.89181.0308ISD悬架0.82202.18320.70331.58346.11194.92280.38870.81940.9939降幅3.7%17.3%14.6%1.2%5.2%3.8%3.8%8.1%3.6%50传统被动悬架0.84553.65140.85331.99786.85836.56740.46940.92381.0524ISD悬架0.77972.93450.80601.85476.77866.51640.44560.91991.0506降幅7.8%19.6%5.5%7.2%1.2%0.8%5.1%0.4%0.2%60传统被动悬架0.93305.56650.89522.73077.32567.12490.50411.01461.1757ISD悬架0.85864.07040.86552.57717.15887.15340.48230.98341.0644降幅8.0%26.9%3.2%5.6%2.3%-0.4%4.3%3.1%9.5%

表4 蛇行试验结果

性能指标传统被动悬架ISD悬架降幅/%横摆角速度/((°)·s-1)11.62811.1414.2侧倾角/(°)2.6902.5933.6侧向加速度/(m·s-2)2.5112.4841.1

(3) 偏频与平顺性试验表明，研制的惯容器与减振器一体式液力惯容器装置是有效的、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

School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013

[Abstract] 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.

Keywords：ISD suspension; inerter; road test; ride comfort

*国家自然科学基金(51405202)、江苏省科技支撑计划(BE2013096)、江苏省自然科学基金(BK20130521)、中国博士后科学基金(2015M570408)和江苏省“六大人才高峰”项目(2013-JNHB-001)资助。

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