某載貨汽車平順性提升方法研究

馮高山，許恩永，林長波，展 新

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0　引言

隨著我國經濟的發展，載貨汽車因其運輸效率高，運輸方式靈活，運輸成本低的優點，已經廣泛地應用于多行各業。隨著載貨汽車的普及，人們對載貨汽車的要求越來越高，在獲得良好的動力性和經濟性的同時，還要求具有良好的操縱穩定性、行駛平順性和乘坐舒適性。平順性是指保持汽車在行駛過程中由于路面不平度和發動機、傳動系統以及車輪等旋轉部件引起的振動和沖擊環境對乘員舒適性的影響；在一定的界限之內，對于載貨汽車還包括保持運載貨物完好的性能。汽車行駛過程中的振動不僅會降低車輛的使用壽命，增加維護成本；也會影響到乘員的身體健康和運輸貨物的完整性；還會影響到車輛的動力性以及燃油經濟性。因此，平順性已成為現代運載車輛的重要評價指標。近年來，高速公路的發展和交通網絡的健全使得載貨汽車的需求量逐年增長。與此同時，市場需求的變化和物流業的迅猛發展也促使載貨汽車在產品結構上發生了很大的變化。載貨汽車向高品質方向發展已成為一種趨勢，客戶對車輛平順性的高要求，使得平順性日益成為載貨汽車生產企業關注的車輛主要性能指標之一。目前國產汽車的舒適性與發達國家產品相比，還存在著一定差距。因此，提高駕駛室平順性，從而提升載重汽車的整車性能，對增強其市場競爭力具有重要意義[1-7]。

本文針對某型號載貨汽車平順性指標不能滿足客戶需求的問題，對動力總成懸置解耦、駕駛室懸置剛度與阻尼參數匹配、傳動軸振動等影響平順性的主要因素進行了分析。提出了提高動力總成懸置解耦率、合理匹配駕駛室懸置剛度與阻尼參數、改善傳動軸中間支承參數等提升平順性的措施。最后將上述措施應用于上述載貨汽車，有效地提升了該載貨汽車的平順性。

1　某型號載貨汽車平順性特性

某型號載貨汽車（如圖1所示），在特定車速下（如時速為35公里），其平順性指標不理想，平順性指標高達1.7 m/s2，舒適性不能滿足客戶需求。該車型動力總成的質量、慣量、質心位置等參數如表1所示，動力總成懸置剛度如表2所示。

圖1　某型號載貨汽車

表1　發動機質量、慣量、質心參數

表2　優化前懸置剛度

2　影響載貨汽車平順性的因素及其提升方法

2.1　平順性的影響因素

經測試與分析，確定影響該車型平順性的主要因素如下：

（1）動力總成：主要包括發動機點火脈沖激勵、動力總成懸置參數匹配不合理導致的振動耦合等。

（2）駕駛室懸置：主要在于駕駛室懸置系統的剛度阻尼參數匹配不合理。

（3）傳動軸：主要在于傳動軸動不平衡以及傳動軸中間支承結構不合理等引起的振動。

2.2　改善駕駛室平順性的方法

根據以上影響該型號載貨汽車平順性的主要因素，提出了對應改進措施來提高該車型的平順性，包括：動力總成與駕駛室懸置解耦優化、駕駛室懸置剛度阻尼參數合理匹配、傳動軸及其中間支承優化。這些措施也可以用于其他載貨汽車。

（1）動力總成懸置解耦優化

動力總成是載貨汽車主要的振動來源之一，動力總成懸置解耦不合理，會造成附加的耦合振動，降低產品的舒適性。因此，動力總成懸置的設計方案應追求實現東力總成振動模態解耦的目標，實現動力總成懸置在各個自由度方向上的模態解耦[8]。能量法解耦作為一種有效的振動解耦方法已被廣泛應用于動力總成懸置的設計和優化中?；谀芰糠ń怦钤?，開發了動力總成懸置解耦優化通用程序。開發的動力總成懸置解耦優化程序如圖2所示?；谀芰糠ǖ膽抑媒怦钤砼c方法參見文獻[9][11]，基于篇幅考慮，在此不進行詳細敘述。在懸置解耦優化時，關鍵是設定解耦優化的約束條件。在進行懸置解耦優化時，設定的主要約束條件如下。

1）在進行剛度組合式，懸置各向剛度按相同比例增減。

2）動力總成懸置6個自由度的解耦率不低于70%，Z向，Rx向解耦率不低于85%。

3）動力總成6個自由度的固有頻率兩兩之間的差值不低于0.5 Hz，Z向和Rx向頻率差不低于1 Hz.

圖2　4點懸置懸置解耦優化程序運行界面

利用開發的懸置解耦優化程序，對該型載貨汽車的動力總成進行懸置解耦優化。這里，主要對動力總成懸置的剛度進行優化。優化前后，動力總成懸置安裝位置，安裝角度等參數保持不變。優化后的優化后懸置剛度如表3所示。優化前后的動力總成懸置解耦率如表4所示。

表3　優化后懸置剛度

表4　優化前后解耦率對比

由表4可見，經過優化后，動力總成在六個自由度方向上的解耦率均得到了比較明顯的提高。

（2）駕駛室懸置剛度與阻尼參數匹配與優化

載貨汽車的駕駛室一般通過彈簧和阻尼器懸置于車架之上。提高車輛的乘坐舒適性要求彈簧的剛度要小，剛度越小在同樣的激勵下彈簧變形越大，而大的變形又同有限的空間相矛盾。所以在懸置設計時，舒適性和彈簧變形是一對矛盾關系，需要合理匹配駕駛室懸置剛度和阻尼參數，使其具有最佳的減振性能[9，10]。經過研究，建立了經過合理簡化前橋—駕駛室度振動模型，建立的模型包含駕駛室前懸置和后懸置兩個垂直方向的自由度及由兩個懸置形成的旋轉自由度的1/2駕駛室動力學模型，利用Matlab建立了振動模型的仿真模型，開發了相關的仿真優化程序。利用仿真分析模型與仿真優化程序，以駕駛室懸置振動傳遞率為優化目標，對駕駛懸置剛度和阻尼參數進行聯合優化，得到了優化的駕駛室懸置剛度和阻尼參數組合。

利用建立的平順性仿真模型與仿真優化程序，對駕駛室懸置的剛度與阻尼參數進行優化，得到了優化的駕駛室懸置剛度與阻尼組合結果。優化前后的駕駛室剛度、阻尼以及駕駛室固有頻率對比情況如表5所示。

表5　駕駛室阻尼優化結果對比

從表5可以看出，經過剛度阻尼優化，駕駛室Z向固有頻率從4.5 Hz降低到2.64 Hz，Rx向固有頻率從1.7 Hz降低到了0.98 Hz，兩者均有大幅度的下降，在相同的外界激勵下，駕駛室的平順性得到了較大幅度提高。

（3）傳動軸及其中間支承優化

載貨汽車傳動軸多采用十字萬向節傳動軸，引起傳動軸振動的來源很多，主要包括：發動機點火脈沖頻率、傳動軸動不平衡及偏心、十字萬向節產生的附加力矩等。

為降低傳動軸振動，可以采取的措施主要有三個，一是合理設計傳動軸主動軸和從動軸之間的夾角，二是提高傳動軸加工制造以及裝配精度，從源頭上減少傳動軸的振動；三是合理設計傳動軸中間支承，通過減振措施來降低傳動軸振動向車架的傳遞。一般情況下，傳動軸主動軸和從動軸之間的夾角往往由于受到結構尺寸限制難以改變，傳動軸動不平衡量、加工精度等由于受制造工藝、制造成本等限制難以大幅度提高，設計人員更傾向于采取合理設計傳動軸中間支承結構以及合理匹配傳動軸中間支承剛度與阻尼參數來降低傳動軸的振動。經研究，確定采取以下兩個措施來降低該載重汽車傳動軸的振動。

1）改進傳動軸中間支承結構，采取的主要措施是增大傳動軸中間支承處橡膠套的徑向變形量，另外就是將傳動軸中間支承橡膠套設計成多層環槽結構，使其具有變剛度特性。在傳動軸小幅振動時，僅克服間隙，具有低剛度；在傳動軸振動幅度加大時，作用的橡膠面積隨之增大，具有高剛度，減小傳動軸的振動幅度。

2）合理匹配傳動軸中間支承剛度與阻尼參數，使其在低頻（大變形）時具有大阻尼，在高頻（小變形）時具有小阻尼，使其在不同的頻率段都具有良好的減振性能。

經計算，該載貨汽車傳動軸中間支承剛度值如下：小變形時（變形量在0～4 mm之間），剛度值為269 N/mm，大變形時（變形量在4～8 mm之間），剛度值為625 N/mm.剛度曲線如圖3所示。

圖3　傳動軸中間支承懸置剛度曲線

為控制各個頻率范圍內的振動傳遞率，要求低頻段具有大阻尼，高頻段具有小阻尼。因此，要求傳動軸中間支承懸置具有變阻尼特性，大變形（對應低頻振動）時具有大阻尼，小變形時（對應高頻振動）具有小阻尼。大變形（高頻）時，阻尼比不大于0.05，小變形（低頻）時阻尼比不小于0.2.

3　改進前后的平順性結果對比

經過以上措施，該載重汽車的平順性得到了較大幅度改善。整改前后該車型各個時速段駕駛室的振動加速度均方根值如圖4所示。

圖4　優化前后駕駛室在各個時速的振動加速度均方根值

從圖2可以看出，經過優化，駕駛室的振動加速度均方根值峰值由原來的1.74減低到0.95，改善效果明顯，駕駛室平順性得到明顯改善，滿足了客戶對駕駛室舒適性的要求。

4　結論

本文對載貨汽車的動力總成懸置解耦、駕駛室懸置剛度與阻尼參數匹配、傳動軸振動等影響駕駛室平順性的因素進行了分析。同時，提出了提高動力總成懸置解耦率、合理匹配駕駛室剛度與阻尼參數、改善傳動軸中間支承參數等提升駕駛室平順性的措施。這些措施有效地提升了該載貨汽車的平順性，對其他車型提高駕駛室平順性具有指導和參考意義。

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