商用車共振問題實例研究

郭志強，唐慶偉，曹德本

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

商用車共振問題實例研究

郭志強，唐慶偉，曹德本

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

商用車共振問題對整車的壽命和駕乘人員的健康影響極大，文章通過對某輕型商用車品牌開發過程中關于共振問題的處理，探索及總結商用車共振問題在設計初期共振預防、問題點排查、降低振幅、改變共振點的方法和經驗。

輕卡；共振；動平衡；剛度；平順性

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.015

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-43-03

引言

隨著中國汽車工業的發展，傳統的商用車正在面臨著一場技術升級換代的變革，這場變革從2013年開始強制淘汰黃標車、2014年發動機排放全面升級國Ⅳ、2016年全面實現整車標配ABS（防抱死系統）、2017年發動機排放全面升級國Ⅴ等陸續出臺各種新法規、限排放、限重……

變革不僅僅是行業趨勢要求，更是時代在預示著不轉變即滅亡的永恒真理。國力的增長、經濟的發展，人們對商用車（輕卡）的要求不再停留在多拉、能跑的原始要求上，轉而對舒適性、經濟性、環保、適應法規的要求越來越強烈，我們還在等待國外商用車攻城時才想起自身變革？顯然是不可取的。用戶對商用車駕駛舒適性尤其是常用速度段的共振抱怨一直未得到很好的解決，這也促使我們對該課題的進行深入的探索及研究。

1、問題描述

某品牌輕卡商用車樣車動態檢驗過程中反饋出現車輛正常行駛中車身抖動故障（速度： 45-60km/h），發生率初步統計約占總數的10%，低于該速度段或高于該速度段振動消失。具體現象：試車員反饋行駛到45-60km/h區域時明顯感覺方向盤抖動異常，腹部及大腿隨車輛垂直方向抖動，感到不適，持續在該速度段行駛振幅有擴大的趨勢，加速或減速后現象明顯改善。

2、共振問題分析

2.1 共振現象

共振現象是指一個物理系統在其自然的振動頻率下趨于從周圍環境吸收更多能量的趨勢。當一個系統發生振動時引起另外一個與之頻率相近的物體相應發生振動，這被視為發生共振。

整車作為一個彈性元件的集合體，具備一定的質量和彈性阻尼，產生共振是不可避免的，每個車都有共振點，區別在于各自的共振點不同，一般要求在常用工作速度下不產生共振視為合格產品，普遍認為共振時車速越高車的質量越好。

2.2 影響因素

從整車結構上分析可分為：

a、汽車動力系統引起的共振

b、懸掛及車輪系統引起的共振

c、傳動系統引起的共振

d、車身振動

2.3 共振因素分析排查

2.3.1 汽車動力系統引起的共振（下述驗證方法僅限于專業試車道及專業的調教員使用，非專業人員勿模仿嘗試）

A、共振汽車全部是3360軸距2X2驅動輕型載貨汽車，后輪驅動配備康明斯發動機、朝柴動力、五十鈴動力、揚柴動力在所有樣車中未顯示專屬某型號動力系統；

B、空擋啟動怠速狀態下驗證未感覺抖動；（怠速狀態發動機抖動幅度比行駛時略大）行駛到共振點時掛空擋滑行，仍未見共振消失；（可判定動力系統變化對共振影響較小）；

C、加速行駛到70km/h后掛空擋，息停發動機，整車處于無動力狀況，自由滑行道至共振區，未見共振改善；

D、將整車驅動后橋頂起，四輪處于懸空狀態進行運轉測試，到達共振速度后測試未造成共振現象；

綜上所述可排除動力系統異常引起的共振問題。常見動力系統異常主要為冷啟動抖動較大、節氣門或噴油嘴異常抖動、油壓不穩、懸置系統剛度或約束不良造成的異常抖動，在此不再一一介紹。

2.3.2 懸掛及車輪系統引起的共振

A、減震器失效，前鋼板彈簧剛度不一致，樣車零部件均為新件，同時也嘗試更換了板簧、減震器癥狀未緩解，此因素可排除；

B、前后懸架剛度不匹配造成偏頻接近形成共振；該問題在設計初期應重點校核，防止前后偏頻接近，可通過更改板簧剛度進行調節。試驗對比中二類底盤較欄板型整車發生共振的概率要大，同時對前板簧減少片數（降低剛度）后產生有效改善，初步認定此為解決該問題的原因之一；

C、前輪定位角失準，前束過大；眾所周知，前束偏大會造成跑偏及側滑，引起輪胎異常磨損，同時也會感覺方向盤沉重，用戶在不斷調整方向盤的過程會造成轉向器中速擺振，造成車輛行駛擺動產生共振。驗證中對有問題的車輛進行重新四輪標定排除此問題，前束參考經驗值：子午胎1-3mm，斜交胎2-4mm。初步認定此也是解決該問題的原因之一；

D、前輪胎氣壓過高過低或輪胎由于修補等原因引起動不平衡。試驗驗證將輪胎氣壓按標準值增加20Kpa，有輕微改善作用，同時對輪胎動平衡、鋼圈動平衡總成裝配后實現100%復查，動平衡超過220g的造成整車跳動的概率遠大于正常合格范圍內的輪胎，鋼圈徑向跳動大于1.8mm的也會使整車在行駛過程中產生共振。通過更換輪胎和鋼圈后，該現象明顯改善。初步認定此為解決該問題的原因之一。

E、車架扭曲、鉚釘松動或前軸變形造；該問題通過對過程車架的檢測，且前軸、車架未受到撞擊，變形的可能性較低，該因素排除。

2.3.3 傳動系統引起的共振

傳動軸彎曲，動不平衡；試驗中達到共振速度后進行不斷切換檔位及脫檔滑行進行驗證，未發現改善和加劇現象，但傳動軸運轉對比中發現有嚙合間隙好的車比有輕微松動的車輛共振振幅要小些，同時對選取標定過的傳動軸進行更換，也有助于該問題的改善。初步認定此為解決該問題的原因之一。

2.3.4 車身振動引起的共振

A、通過試驗對比競品車型中使用雙扭桿的車輛較單扭桿車輛行駛穩定性要好，此為桿系受力不均勻造成，不再具體闡述，初步認定此為解決該問題的原因之一。

B、通過調整扭力桿扭力，改制翻轉機構增加扭桿強度對比驗證中，橡膠剛度達到75N/mm左右，車頭擺動有改善，同時對后支撐的橡膠襯套進行預壓緊增加其連接剛性，也產生了較為明顯的改善。初步認定此為解決該問題的原因之一。

3、組合驗證及結論

根據上述有對改善有作用的方案進行排列組合，尋找到最佳方案，并進行測評。

表1

整車發生抖動共振產生的因素很多，因根據具體的情況進行區分、判斷。本課題中通過更改懸架剛度、車身懸置的剛度、控制輪胎的動平衡，最終將該問題給予解決。

4、預防

共振問題應在設計初期即進行模態分析，避免后期出現大的設計改動，造成成本浪費。

現采用ADAMS軟件建模仿真的方法對整車的平順性進行評價。針對HB11A/HB12A欄板車型，根據汽車各系統的設計參數，在MSC.ADAMS/CAR 模塊中建立了前后懸架、轉向系、車身、輪胎等子系統的仿真模型。按照國標GB/T 4970-1996《汽車平順性隨機輸入行駛實驗方法》的要求，在車速60、70、80、100km/h和B級路面進行整車平順性仿真。通過測量得整車質心處的加速度信號，并通過處理得到相應的加速度自功率譜密度值。首先導入整車部件各子系統，選擇進行仿真所需要的四柱實驗臺，構建平順性實驗臺，如圖1所示。

路面不平整度主要采用路面功率譜密度描述其統計特性，不同等級的道路，其路面不平度的頻譜結構大同小異，通常用式（1）來表示路面空間功率譜密度：

式中：n—空間頻率，它是波長的倒數，m-1；

no—參考空間頻率，no=0.1 m-1

Gq(no)—參考空間頻率no下的路面譜值，稱為路面不平度系數，m2/ m-1；

W—頻率指數，為雙對數坐標上斜線的斜率。

在ADAMS中使用INVPSD函數求得時域內的振動信號，其中車速為80km/h的路面激勵信號如2所示。

實驗仿真分析

垂向的加速度自功率譜密度函數，可由ADAMS的后處理模塊中FFT（快速傅立葉變換）得到，如圖6所示。

椅面垂直軸向z的頻率加權數w，最敏感頻率范圍標準規定為4～12.5Hz，在 4～8Hz這個范圍內，人的內臟產生共振，而8～12.5 Hz頻率范圍的振動對人的脊椎系統影響很大，就是說人體的敏感頻率范圍為 4～12.5Hz。由圖6可以看出：在 2.26 Hz 附近振動最為強烈，共振點大約為 2.5 Hz，低于 4Hz，曲線表明系統避開了這個范圍。

當評價振動對人體健康的影響時，同時考慮x,y,z這三個軸向，且x、y兩個水平軸向加權系數取k=1.4,比垂直向更敏感，z軸加權系數為1。

計算軸向加權加速度均方根值

其中：aw(t)為記錄的加速度時間歷程，T為振動分析時間。

當同時考慮三個方向的振動時，三個軸向的總加權加速度均方根值按公式3計算：

計算軸向加權加速度均方根值aw，得到各測量點的計算結果，對應表1的人體主觀感覺，得出評價指標。結果見表2。

表2 平順性計算表

[1] 余志生.汽車理論.清華大學主編[M].機械工業出版社.

[2] 何渝生.汽車振動學[M].人民交通出版社.

[3] 謝衛國.貨車平順性預測與優化.汽車工程[M].

[4] 張洪欣.汽車行駛平順性的計算機預測[M].

[5] 劉惟信.汽車設計[M].清華大學出版社.

Study on the Resonance Problem of Commercial Vehicle

Guo Zhiqiang, Tang Qingwei, Cao Deben
( Chery commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000 )

The resonance problem of commercial vehicle has great influence on the life of the vehicle and driver's health. In this paper, the problem of the resonance of a light commercial vehicle brand development process was study. And some Methods and experiences to change the resonance point were put forward by sum up the resonance problem of commercial vehicle in the initial design of the resonance prevention, the problem of the investigation, and reduce the amplitude.

Light truck; resonance; dynamic balance; stiffness; Harshness

U462.1

A

1671-7988(2016)10-43-03

郭志強（1983—）， 男，安徽蚌埠人 學士，高級設計師，就職于奇瑞商用車（安徽）有限公司，研究方向：汽車平順性及操控穩定性。