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SUV的轻量级后差速器组对行驶平顺性敏感度的分析
Jiewei Lin 和 Yi Qiu
英国南安普顿大学声音与振动研究院人为因素研究部
摘要：轻质是当代汽车燃料效率提升和成本开发降低的重要措施。然而，需要认真研究车辆的轻巧结构如何影响NVH性能和驾乘舒适性。在本文中，就轻量化后差速器单元对一辆SUV的乘坐舒适性影响进行了研究。对传动系统，轮胎，悬浮液，转向系统，以及其柔性车身建立了一套车辆的多体动态模型。其基准模型与在现场测试的车座轨道测量加速度相关。使用相关的模型，对实验设计的因子进行了在加速度均方根方面的敏感性和对在座椅导轨振动后差速器组件的转动惯量值的分析。结果表明，座位导轨的振动能量以两个频率范围为中心：1-2赫兹和6-15赫兹。在不同的方向，这两个频段的振动对到后差动单元的质量特性的变化具有不同的灵敏度。人们发现，座位导轨的垂直振动敏感因素顺序为(依次降低)：后差速器壳体的质量，内等速接头围绕纵向方向的转动惯量，以及所述驱动轴的质量。在这项研究的范围内，这是三个在设计一个结构轻巧的后差速器单元时所最需要考虑的，它们对乘坐舒适性有最显著的影响。
1简介
影响动力性能和燃料效率的相关措施对车辆的重要性与影响噪音、振动和粗糙度（NVH）的措施相当。为达到更高的燃料效率与更低的成本，轻量化结构在汽车生产上的应用逐渐增加。然而，轻量化结构对NVH——一个顾客着重考虑的因素的影响需要着重考虑。在众多粗糙度参数中，乘坐舒适性作为被相关标准如ISO 2631(1997)和BS 6841(1987)高度提倡的指标，更是需要考虑的重中之重。
车辆是一个非常复杂的耦合系统，对车辆任何构成部分的任何改变都可能引起传递到座椅与乘客的振动发生显著的变化。路面的不平与发动机产生的力的不平衡是两个最主要的振动激励。在不前进的状态下，发动机和传动系统的振动是引起座椅振动最主要的两个输入。在车辆行驶并且曲轴超过第一临界转速时，路面粗糙度将会成为引起座椅振动的最主要因素。当汽车以一定速度在道路行驶（如：60 mph），因路面粗糙所引起的振动将会传递至底盘包括悬架，再到车身，最后传递至座椅与乘客。
对座椅的振动有许多的传递路径与影响因素。为了找到一个合适的优化目标和评估减重对车辆乘坐舒适性的系统级影响，多体动力学（MBD）模拟的效果是最有效的方法之一，并已被证明是可靠的和有用的。这种方法的第一步骤是开发合适的车辆多体动态模型。这个模型应包括主要子系统或子结构以正确反映车辆和座位动力学。车辆模型的结构或复杂性取决于激励的类型、所涉及的振动传播路径和适用范围。座位和乘员系统的代表模型可识别影响乘坐舒适性的关键参数和提供的座椅舒适性优化有用的信息以足够对敏感性进行分析。一个包括车轮，前部和后部的悬浮液的车体模型可认为适合用于分析汽车在道路上行驶的乘坐舒适性。一个详细的聚焦液压气动弹簧减震器的悬挂系统模型可被用来调整用于优化乘坐舒适性的悬挂设置。假定作为本次研究模型组成的轮胎，悬浮液，传动系统和柔性车身都适合用于分析乘坐舒适性和执行灵敏度，以确定影响所述座椅振动传动系统的质量特性之间的显著因素。
变速箱传动系统一般由变速器，托轴，前后差速器和传动轴以及连接接头组成。组分的变化可能会影响传递至座椅的振动，影响的程度可能会在不同的方向和频率区域而不同。敏感性分析最好在检查部件作用是否改变与部件是否变形之前进行。它是确定一个系统的客观表现的设计参数中的贡献力量。通过每一次修改一个参数进行灵敏度分析是实际和相对容易实现的，但在计算效率和成本上有一些限制。实验的设计(DOE)可以帮助有效地找到因子和输出之间的因果关系，并可以使用不同的方法，如在因设计(Placktt 和Burman, 1946)，该响应面设计(Box 和Draper, 1987)，混合设计(John, 1984)以及田口设计(Peace, 1993)。该2级因子设计在大多数的DOE中使用，它简单并且具有多功能性，可以应用到许多因素。2级设计有两个主要优点：实验的尺寸比其它设计小得多以及可以检测到因素之间的相互作用。
本研究的目的是进行灵敏度分析，以确定后部差动单元的质量特性和相关的传动系统将可能如何影响座位导轨振动与乘坐的舒适性。为此，车辆模型是在多体动力学的环境中开发的，该车辆模型与在现场测试所测量的数据相关。然后设计实验方法，确定质量属性与传动系统以及它们对座椅导轨的振动的影响中的显著因素，以进行敏感性分析。据预计，分析结果可以为后差动单元和相邻部分质量的减少提供指导并且了解质量减少对乘坐舒适性所带来的影响。
2 多体动力学车辆模型的生成
2.1模型的建立
最初由项目合作者提供的车辆（左轴驱动）的MBD模型是使用SIMPACK软件（版本9.7）开发的。该模型包括轮胎，悬浮液，动力传动系统，以及一柔性车身，如图2.1（车身并未示出）。轮胎采用柔性结构的轮胎模（FTire），适合于相对较高的频率和短波长的路面激励。主要悬架、动力单元和差分固定件的造型采用了非线性空气弹簧、液压支架和动态丛。传动系统包括前差速单元和后差速器单元、丙轴、驱动轴和相邻恒定速度（CV）关节。柔性车身采用有限元（FE）的方法在NASTRAN中建立模型，这个动态模型对导入到SIMPACK中与汽车的MBD模型相结合非常重要。
在这项模拟中，路面粗糙度和空气阻力被看作是施加在车辆上的外部干扰和力。模型中定义的路面不平度是由项目合作者提供的一个用于测量的平滑（B）公路，空气阻力的计算如下:
式中Fair 和Mair 是空气阻力和空气阻力矩，rho;air 是空气密度，Aveh 是车辆主要区域的面积，C 和CM 分别是关于力和力矩的空气阻力系数常数，v 是汽车的速度，l 是汽车的轴距。
图2.1 SUV的多体动力学模型
2.2 模型的校准
在进行敏感性分析前，用来自场试验中测定的实验数据与已建立的模型进行关联。在模型仿真中，驾驶员侧的座椅导轨的加速度以与该车辆在相同的道路上以60英里每小时速度行进的车辆进行测量。将模型在垂直方向上的座位导轨加速度的功率谱密度（PSD）与相应的测量数据进行模拟和比对，如图2.2所示。可以看出，该模型的测量数据与理论数据吻合度非常高。
频率（HZ）
图2.2 驾驶员侧的座椅导轨的功率谱密度(PSD)的计算值与测量值的比较
3 敏感度分析
3.1分析方法与方案设计
该灵敏度分析的主要任务是确定质量和相关后差速器单元（RDU）组件的惯性对车辆座椅振动的影响。
该RDU组件系统包括一个输入轴，一个后差速器齿轮箱（RDG），两个等速万向节，及两个驱动轴（DS），如图3.1所示。RDU壳体内的旋转部件在后差速器外壳中集成，其质量特性（例如，输入和输出轴，齿轮和轴承）在重力的RDG组件的中心（COG）。这种处理可能会错失引起齿轮耦合，油膜振荡，并且轴承不对的高频振动的内容，但会包含由道路激发的低频振动（对乘坐分析来说这是非常重要的），并且这种处理有利于降低计算成本（对用大型车辆模型），这对涉及一个系统级的灵敏度分析至关重要。
这项分析中考虑的设计参数有RDG三个正交方向（X-Y-Z）的质量和转动惯量，以及驱动轴（DS）。鉴于几何形状和布局的对称性，只考虑一组质量特性（质量和惯性力矩在轴向（y）与径向（x和z）方向）上的驱动轴（左手侧的（左轴）或右手侧的（RHS））。左右两侧的等速（CV）万向节用相似的方法处理。全部处理完毕后，这项敏感度分析大约需要考虑10个参数，如：
·M(RDG), Ix(RDG), Iy(RDG), Iz(RDG) -后差变速箱纵向，横向和垂直方向的质量和转动惯量
·M(CVJ), Ix(CVJ), Iy(CVJ), Iz(CVJ) –等速万向节纵向，横向和垂直方向的质量和转动惯量
·M(DS), Ix(DS), Iy(DS), Iz(DS) –驱动轴纵向，横向和垂直方向的质量和转动惯量
图3.1 后差速单元和相邻部件的原理图
对这项分析采用的DOE方法为——在MINITAB（版本17）中对10项因素的上下限两级进行分析。基于相关标准，计算时每个因素的上限水平增加30%，下限水平减少30%。
对于2级全因素进行阶乘设计所必要的运行数为2k，其中k是要素的数量。随着因素数量的增加，执行完全分析所必要的运行数量迅速增加。一个2级的全因素阶乘设计，10个因素需要1024次运行，这在计算上是非常昂贵的。为了使分析更实用，部分因素的设计分析采用四级分辨率运行32次。设计的分辨率表示在这部分因素的设计中它们将何种程度的被与其它影响区分开来。减少实验所需的运行次数可以通过降低一定的分辨率达成。尽管如此，在现有的研究中，采用这种方式仍然可以产生令人满意的结果，作为首要考虑的主效应设计因素主效应并没有受到影响。在四级分辨率中，没有任何两个主要效应或任意两个因素之中存在冲突。
3.2 传感器与程序求解
六个传感器被分别放置在：驾驶员侧的座椅导轨，前排乘客座椅侧导轨，后方左乘客座椅的基部，后方中央乘客座椅的基部，后方右乘客座椅的基部以及RDU壳体的底面。当RDU壳体的振动作为额外的检查或参考被包括时，在座位导轨的前部和后部座椅底座获取用于测量分析车辆乘坐舒适性的加速度参数。
在模拟过程中，使用了一个命名为SODASRT2的向后差分公式（具有0.0001的公差的隐式多步集成方案）来解决多体系统的运动方程。模拟持续的时间为25秒，模拟时车速为60英里，采样的速率为512个样本每秒。
4. 结果与讨论
4.1 用基准模型的模拟情况分析行驶中的振动
对驾驶员侧的座椅导轨纵向、横向和垂直方向上的加速时间记录与对对应PSD的计算是在用相关基准模型模拟以60mph在B道路上行驶的汽车的基础上进行的。以驾驶员侧座椅导轨的加速度为例（见图4.1），可以看出，在三个方向中，垂直方向上的加速度数值最高（0.63 m/s2 r.m.s.），而横向方向上的加速度数值最低（0.09 m/s2 r.m.s.）。并且，在垂直方向上，振动能量集中在两个频率区域（1-2赫兹和6-12赫兹），其中以1.25赫兹为中心的峰值最为突出；在纵向方向上，振动能量频率集中在9-15赫兹；而在横向方向上，振动能量在0-30赫兹的范围内都保持一个非常低的数值。同样，前排乘客座椅导轨的这些参数也可以由其加速度得到。
时间（秒） 频率（赫兹）
图4.1 驾驶员侧三个正交方向上的加速度与相关的PSD参数
由此，可以认为在垂直方向上的振动对车辆在光滑的道路B上行进是的舒适度影响最大。在纵向方向上的振动能量主要分布在9-15赫兹，它与在8-12赫兹范围内的垂直振动一起被认为与动力与传动系统激励相关联，并且不应当被忽略。相比于在其他的两个方向上，横向方向上的振动相当的小，不应当被当作对乘坐舒适度影响重大的因素来处理。
4.2 阶乘设计实验的响应
前排座椅导轨与后排座椅基部在三个方向上的加速度数值（r.m.s.）被计算和用来作为阶乘设计的响应（如下表4.1）：
表4.1 多次运行试验中RDU底部、前排座椅导轨与后排座椅基部的 r.m.s.加速度数值
4.3 影响效果的标准化
设计参数对乘坐舒适性的重要性程度是基于表4.1中与在MINITAB中生成的设计图（未示出）所给出的数据与运行帕雷托图（如图4.2）所显示的结果进行计算的。在帕雷托图中，一栏向前延伸超出参考极限（图中虚线）代表着其在某特定位置和方向下对相关参数与加速度响应具有统计得出的显著影响。可以看出，RDG的质量是在纵向和垂直方向上对驾驶员侧座位导轨振动的显著影响因素。等速万向节沿长度方向的转动惯量是影响纵向和横向方向上驾驶员侧座位导轨振动的另一个重要因素。对于前排乘客侧座位导轨的振动，RDG的质量和等速万向节沿长度方向的转动惯量是最重要的两个敏感因子。对于三个后排座椅底座，除了上述两个因素，驱动轴的质量也对其振动具有显著影响，特别是在横向方向。等速万向节的质量对后方左侧乘客座椅基部的横向振动的影响刚刚超过显著水平。对RDU壳体的振动而言，显著因素的数目要更多。除了RDG的质量和等速万向节沿长度方向的转动惯量，RDG沿纵向和横向方向的转动惯量与驱动轴和等速万向节的质量也对其有相当大的影响。此外，取代了RDG的质量，等速万向节沿纵向的转动惯量对RDU壳体的振动具有最显著的影响。
作为质量最大的部件，RDG的质量要远远大于在灵敏度分析中被考虑到的其它RDU组件的质量，任何的RDG的质量改变都将导致RDU系统频率的变化，这将可能影响传递到RDU组件丛中的振动。事实上，根据敏感性分析，RDG的质量和等速万向节沿长度方向的转动惯量是影响座椅导轨（基部）处振动的两个最重要的因素，而后者是影响RDG在横向和垂直方向上的振动的最显著因素。
总而言之，有六个参数（RDU的质量特性）对座椅导轨和RDU壳体在不同方向上的振动有显著影响:RDG的质量、等速万向节的质量何其沿长度方向的转动惯量、驱动轴的质量、以及RDG在沿长度方向与横向方向的转动惯量。不过，如之前讨论过的，横向方向上的加速度要比垂向与纵向的上的振动小不少。所以，在下面对主要影响因素的分析中，座椅导轨与座椅基部垂向与长度方向上的振动被更多的考虑与提及。
4.4 主要影响因素
基于座椅导轨振动
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