基于仿真技術的重型牽引車駕駛室抖動分析與優化

董志鴻 楊玉良 楊宇 曾健 孫營

摘要：某重型牽引車在道路試驗時發現70km/h時駕駛室抖動加劇。為了盡快找出原因，建立整車NVH仿真模型，將試驗測量數據作為仿真模型的輸入，從仿真結果中提取駕駛室座椅導軌加速度響應，結合整車模態結果，找出了導致駕駛室抖動加劇的根源，確定了優化方案并進行實車驗證，最終解決了駕駛室抖動問題。

關鍵詞：牽引車；仿真模型；加速度響應；整車模態；輪胎不平衡激勵；功率譜密度

引言

在以往的汽車振動問題分析中，由于計算機性能的限制，往往采用高度簡化的模型以減少分析的自由度，其精度也受到很大的限制，這樣的模型不能很好地模擬整車的運動。隨著計算機容量和性能的不斷提高，對整車的振動噪聲進行系統地模擬已經成為可能。本文采用試驗與CAE相結合的方法對某重型牽引車駕駛室抖動問題進行分析與優化。

1.建立牽引車仿真模型

1.1建立該牽引車的整車NVH仿真模型，如圖1所示：

圖1.整車有限元模型

汽車振動的激勵源主要來自動力總成和路面。在進行道路試驗時，在發動機懸置和車橋上布置加速度傳感器，并將測量結果進行處理轉換，得到該處的加速度功率譜密度曲線。

1.2仿真模型上的載荷輸入

將試驗測量得到的發動機懸置、車橋上加速度功率譜密度作為仿真模型的輸入，在仿真模型的計算結果中輸出座椅導軌處的振動響應，圖2為實車試驗測量的發動機懸置和車橋上加速度功率譜密度曲線。

圖2 實車試驗測得的發動機懸置和車橋上加速度功率譜密度曲線

將施加了載荷的仿真模型提交計算，并在計算結果中輸出駕駛室座椅導軌處的加速度響應曲線，曲線在5.8Hz處出現共振峰值，如圖5所示，即駕駛室在70km/h抖動加劇時的共振頻率為5.8Hz。而4～8Hz之間是人體敏感區域，因此需避免在此頻率區間出現較大振動幅值。

由于在實車道路試驗時發現，駕駛室抖動只與車速有關，與檔位的選擇無關，換句話說與發動機的轉速無關。這就排除了發動機、傳動系等旋轉激勵，而是由結構的固有頻率共振導致駕駛室抖動，因此，動力總成剛體模態及駕駛室等的剛體模態成為可能的因素。 為了找出上述模態頻率，對整車有限元模型進行整車模態分析。

2.整車模態分析

對圖1中的整車有限元模型進行模態分析，得出5.77Hz存在一個模態，振型為車架后部垂向振動+駕駛室剛體模態，而動力總成剛體模態為6.7Hz，初步確定駕駛室抖動是由駕駛室剛體模態共振產生。如圖3。

圖3 車架后部垂向振動+駕駛室剛體模態（5.777Hz）

3.駕駛室振動原因分析

從整車振動試驗結果反饋，當車速達到70km/h時，能感受到明顯的駕駛室抖動問題。初步判斷原因可能是某激勵頻率與駕駛室固有頻率5.8Hz接近，導致駕駛室產生共振現。車輪的一階不平衡激勵通常處于此頻率區間，該牽引車的輪胎滾動半徑為0.543m，而70km/h的行駛車速轉換成輪胎不平衡激勵頻率值剛好為5.8Hz。由此可確定，輪胎不平衡激勵激發了車架后部垂向振動和駕駛室剛體模態產生駕駛室共振，從而導致駕駛室在70km/h時出現抖動加劇現象。

車架后部垂向振動模態和駕駛室剛體模態分別與板簧剛度、駕駛室懸置剛度、駕駛室后懸擺臂襯套剛度等有關，受承載要求的限制，調整板簧剛度和駕駛室懸置剛度可能會導致其他新的問題產生，綜合考慮之后，可嘗試從減震器阻尼和駕駛室后懸擺臂襯套剛度入手，從而達到降低駕駛室抖動幅度的目標。

4.確定優化方案

為了能夠盡快找出優化方案，在與相關工程師共同討論后，篩選出以下兩個改進方案，即增加各減震器阻尼，降低駕駛室后懸擺臂襯套的Y向剛度。具體體現為駕駛室前后懸減震器阻尼增倍，降低駕駛室后懸擺臂Y向襯套剛度，由原來剛度1000N/mm降低為600N/mm。如圖4所示。

圖4.增加減震器阻尼、降低后懸擺臂襯套剛度

將以上兩個改進方案在仿真模型中修改之后提交計算，輸出駕駛室座椅導軌處的加速度響應，并與優化前進行對比，在5.8Hz處的振動幅值降低了28%，效果明顯。如圖5所示。

圖5駕駛室座椅導軌振動優化前/優化后結果對比

將上述兩個優化方案在試驗車上實現，并提出了一些改進措施：對輪胎總成的動態不平衡量方面進行了限制，目的是盡量降低輪胎激勵的幅值；即降低振動源的幅值。盡量增大駕駛室對5.8Hz頻率附近振動的衰減量。再次進行道路試驗。從試驗反饋信息可知，駕駛室抖動現象明顯改善。該試驗結果同時也驗證了仿真分析結果的準確性。

5.結論

在重卡整車NVH性能開發過程中，針對一些較復雜的振動現象，可以首先采用主觀評價和試驗測試相結合的方法，初步找出可能導致問題產生的原因。然后借助CAE仿真方法，對原因進行分析驗證，明確導致振動問題產生的根源，從而做到有針對性的去優化改進結構參數，大大縮短汽車開發周期。

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作者簡介：

董志鴻（1984年—），男，合肥工業大學在職研究生，主要從事汽車整車及系統零部件NVH分析。