某輕型載貨汽車駕駛室異常共振的試驗(yàn)研究

朱永智1 燕武舉2 鄭超旗2

1.河南森源重工有限公司 河南許昌 461500 2.森源汽車股份有限公司 河南許昌 461500

1 前言

隨著消費(fèi)者對(duì)商用車的駕駛及乘坐舒適性要求提高，商用車的研發(fā)定位也在不斷提高。為了保證載貨汽車裝載的貨物完好，提高乘坐舒適程度，就需要改善輕型載貨汽車的NVH（Noise,Vibration和Harshness，噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）性能。

汽車的行駛平順性是指汽車在一定的速度范圍內(nèi)行駛時(shí)，能夠保證駕駛員與乘客不會(huì)因汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，而引起不舒服、疲勞的感覺，以及保持運(yùn)送貨物完整無損的性能。來自汽車自身的振動(dòng)，會(huì)直接影響汽車的運(yùn)輸速度，降低運(yùn)輸效率，其次，隨著振動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)載荷，也會(huì)在一定程度上加速對(duì)汽車零部件的磨損，甚至降低整車的使用壽命。王成文等對(duì)某商用卡車進(jìn)行了平順性道路試驗(yàn)[1]，找出振動(dòng)的原因是駕駛室懸置的隔振效果差，與動(dòng)力總成的激勵(lì)頻率產(chǎn)生共振，影響了駕駛的舒適性。

本文主要針對(duì)某輕型載貨汽車底盤在空載狀態(tài)下以60～70 km/h的車速勻速行駛時(shí)，其駕駛室產(chǎn)生的異常共振現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)測試，從振動(dòng)相互傳遞的角度分析原因。

2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)車輛是某品牌輕型載貨汽車底盤，整備質(zhì)量為2 750 kg，駕駛室為單排座椅，前后懸掛均配備有減震器，動(dòng)力系統(tǒng)采用某型四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

汽車振動(dòng)噪聲針對(duì)不同的噪聲振動(dòng)源有不同的頻率范圍[2]。在良好路面上，汽車振動(dòng)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，同時(shí)汽車行駛速度也會(huì)對(duì)整車振動(dòng)產(chǎn)生影響。根據(jù)樣車共振的現(xiàn)象，初步判斷振動(dòng)來源為3個(gè)方面：駕駛室懸置、后橋及傳動(dòng)軸。

針對(duì)問題進(jìn)行綜合分析，測試條件選擇如下：

a. 測試場地：平直的水泥路面（標(biāo)準(zhǔn)路面），無接縫、凹凸不平或類似的路面，路面干燥無雜物，周邊無較大的振動(dòng)源;

b. 環(huán)境條件：環(huán)境溫度在10℃～15℃;

c. 風(fēng)速不大于5 m/s;

d. 測試過程中，車輛的輔助裝置如雨刮器等未開啟工作，車輛的車窗保持關(guān)閉狀態(tài)。

3 測點(diǎn)布置和信號(hào)處理

3.1 測點(diǎn)位置的布置

測點(diǎn)位置的布置對(duì)整體的試驗(yàn)結(jié)果影響很大，所以針對(duì)此異常共振現(xiàn)象，經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比歷史車型結(jié)構(gòu)，結(jié)合本次測試實(shí)際情況，將傳感器布置在駕駛室懸置與車架接觸部位，后橋接近單側(cè)鋼板彈簧處，傳動(dòng)軸（前后軸轉(zhuǎn)接吊架）處。

3.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)采用PCM-2532（汽車平順性測試分析系統(tǒng)），設(shè)備參數(shù)為三向加速度傳感器量程±5 g；角度測量范圍為0～±2000°，精度為0.05°；扭矩測量范圍為0～±50 Nm，精度為0.2%FS。

3.3 采樣周期參數(shù)設(shè)定

根據(jù)路況和測試車速，將采樣周期中采樣段數(shù)設(shè)定為25，每段測點(diǎn)數(shù)設(shè)定為1 024，確保采樣時(shí)間為128 s，充分保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4 測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)是得到某一測點(diǎn)的加權(quán)振動(dòng)加速度均方根值，此數(shù)據(jù)是按3個(gè)方向（2個(gè)水平方向，1個(gè)垂直方向）的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理得到的。

4 整車平順性初步測試

4.1 確定共振速度點(diǎn)

共振現(xiàn)象最初由駕駛者主觀感受和儀表車速綜合對(duì)比反饋，為進(jìn)一步落實(shí)共振集中爆發(fā)時(shí)的實(shí)際車速，決定分別針對(duì)50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h5種行駛速度進(jìn)行客觀測試。

初步測試時(shí)，采用在駕駛員座椅座上與座椅靠背安裝坐墊傳感器，在腳部地板安裝三向振動(dòng)加速度傳感器的方案，用于檢測駕駛員的駕駛方便性及駕駛室乘坐舒適性的客觀評(píng)價(jià)[3]，依據(jù)此測試方法推斷出最理想的測試車速，從而進(jìn)一步確定振動(dòng)源。

圖1～5分別為50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h直接檔測試中，駕駛員座椅相對(duì)整車X、Y、Z坐標(biāo)三向的綜合加權(quán)結(jié)果。

圖1 車速50 km/h時(shí)主駕座椅測試數(shù)據(jù)處理

圖2 車速55 km/h時(shí)主駕座椅測試數(shù)據(jù)處理

圖3 車速60 km/h時(shí)主駕座椅測試數(shù)據(jù)處理

圖4 車速65 km/h時(shí)主駕座椅測試數(shù)據(jù)處理

圖5 車速70 km/h時(shí)主駕座椅測試數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過對(duì)比分析，在50～70 km/h車速區(qū)間內(nèi)行駛，駕駛室共振的加速度均方根值存在一個(gè)上升趨勢(shì)，根據(jù)駕駛感受實(shí)際對(duì)比，在60～70 km/h區(qū)間內(nèi)加速度均方根值整體上升趨勢(shì)明顯，而對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，這5個(gè)測點(diǎn)在65 km/h車速下振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到了峰值，具體如圖6所示。

圖6 車速在50～70 km/h時(shí)座椅振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

通過圖6的數(shù)據(jù)分析，初步判斷65 km/h的車速可以作為重點(diǎn)排查選擇。接著重點(diǎn)對(duì)65 km/h車速下駕駛室座椅振動(dòng)情況進(jìn)行進(jìn)一步測試。

4.2 客觀測試與主觀感受對(duì)比

根據(jù)4.1中針對(duì)50～70 km/h車速下駕駛員座椅的三向測試數(shù)據(jù)，與主觀感受進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，在65 km/h車速下，主駕駛座椅的座上、靠背、腳部3個(gè)位置的綜合總加權(quán)加速度均方根值已經(jīng)達(dá)到了3.035 m/s2，與主觀感受對(duì)比表(見表1)對(duì)比分析后可以看出，主客觀的結(jié)論一致，在65 km/h車速下，共振達(dá)到了峰值，駕駛者感到極不舒服，由此，接下來的詳細(xì)分析測試，均建立在65 km/h行駛車速下。

表1 加權(quán)加速度均方根值與主觀感受對(duì)比表

5 駕駛室懸置傳遞特性分析

5.1 隔振率計(jì)算

通過平順性測試數(shù)據(jù)處理對(duì)比，針對(duì)駕駛室懸置傳遞特性測試集成在65 km/h車速下，利用駕駛室懸置的測試數(shù)據(jù)計(jì)算隔振率[1]，具體公式如下：

對(duì)各個(gè)待測點(diǎn)進(jìn)行測試時(shí)，采用單軸向振動(dòng)測試打點(diǎn)（重點(diǎn)測試方向?yàn)檎嚨腪坐標(biāo)方向），測試數(shù)據(jù)處理如表

表2 各測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

5.2 駕駛室懸置對(duì)共振的影響

通過結(jié)合公式以及實(shí)際測試數(shù)據(jù)對(duì)比，Td=0.284，駕駛室懸置對(duì)于駕駛室Z向的隔振效果良好(隔振率為正值)[4]，說明懸置起到了很好的隔振效果，因此可以排除駕駛室懸置對(duì)異常共振產(chǎn)生的影響。

6 車橋與傳動(dòng)軸處測試數(shù)據(jù)頻譜分析

對(duì)車橋處振動(dòng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜計(jì)算及數(shù)據(jù)處理，當(dāng)車速為65 km/h時(shí)，如圖7所示，駕駛室座椅坐墊Z方向主要峰值頻率為7.03 HZ（能量最高），其他最高點(diǎn)在33.5 HZ及51.132 HZ。

圖7 座椅座墊處測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)功率譜

對(duì)車橋和傳動(dòng)軸處測試數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜計(jì)算及數(shù)據(jù)處理，當(dāng)車速為65 km/h時(shí)，功率譜如圖8、9所示。

圖8 車橋處測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)功率譜

圖9 傳動(dòng)軸處測點(diǎn)功率譜

通過測試數(shù)據(jù)分析，對(duì)比各測點(diǎn)與駕駛室坐墊Z向功率譜數(shù)據(jù)，初步得出在傳動(dòng)軸吊架處測點(diǎn)對(duì)頻率7.03 HZ的激勵(lì)存在放大現(xiàn)象，該輕型貨車底盤在65 km/h的某階固有頻率接近駕駛室懸置傳遞至駕駛室的某階頻率，以致產(chǎn)生了共振。

7 樣車對(duì)比優(yōu)化驗(yàn)證

7.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)于此款長軸距樣機(jī)，重新核對(duì)各系統(tǒng)匹配計(jì)算過程，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果重點(diǎn)關(guān)注了前傳動(dòng)軸至后傳動(dòng)軸之間的匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)后傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)長度偏離經(jīng)驗(yàn)值較多（長度一般不超過1 500 mm），經(jīng)過市場調(diào)研其他品牌3800軸距樣機(jī)，初步判斷由于后傳動(dòng)軸過長，使得此區(qū)域的固有頻率發(fā)生變化，直接影響整車激勵(lì)頻率與響應(yīng)頻率之間的固有關(guān)系，導(dǎo)致在一定車速時(shí)出現(xiàn)共振。后經(jīng)過重新匹配計(jì)算，在滿足傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角α不大于3°的基礎(chǔ)上，將傳動(dòng)軸中間吊架位置后移，增加前傳動(dòng)軸長度同時(shí)減小后傳動(dòng)軸長度，以此來減小前后傳動(dòng)軸長度比例關(guān)系，并對(duì)前后傳動(dòng)軸夾角（α1、α2、α3）進(jìn)行校核，保證在滿載狀態(tài)下3個(gè)夾角均不超過4°，避免夾角過大，使一、二軸間的角速度差增大，從而擴(kuò)大由此產(chǎn)生的系統(tǒng)振動(dòng)，傳動(dòng)效率也會(huì)因此受到影響，更嚴(yán)重會(huì)引起傳動(dòng)軸異響，異常磨損，使得傳動(dòng)軸壽命變短。新舊傳動(dòng)軸布置方式如圖10、11所示。

圖10 原狀態(tài)傳動(dòng)軸布置方式

圖11 新方案傳動(dòng)軸布置方式

7.2 新方案裝車驗(yàn)證測試

隨后重新裝車對(duì)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行測試，在60～70 km/h車速下，異常共振現(xiàn)象已經(jīng)減小，測試數(shù)據(jù)見圖12～14，其中測試數(shù)據(jù)與主觀感受一致，舒適性得到較大提高。

圖12 車速60 km/h時(shí)駕駛員座椅振動(dòng)測試

圖13 車速65 km/h時(shí)駕駛員座椅振動(dòng)測試

圖14 車速70 km/h時(shí)駕駛員座椅振動(dòng)測試

7.3 新方案測試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過對(duì)新方案測試數(shù)據(jù)和原測試數(shù)據(jù)對(duì)比，可以明顯看出，在優(yōu)化傳動(dòng)軸布置方式和重新校核夾角及前后傳動(dòng)軸分配比例后，駕駛室共振情況已經(jīng)得到明顯改善，具體測試對(duì)比數(shù)據(jù)如圖15～17所示。

圖15 車速60 km/h時(shí)新舊方案測試對(duì)比

圖16 車速65 km/h時(shí)新舊方案測試對(duì)比

圖17 車速70 km/h時(shí)新舊方案測試對(duì)比

8 結(jié)語

通過此次駕駛室振動(dòng)測試試驗(yàn)，結(jié)合專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，研究了整車（底盤）在無配重下的舒適度、測點(diǎn)信號(hào)的功率譜等，通過主觀駕駛感受與客觀數(shù)據(jù)對(duì)比，以及市場調(diào)研對(duì)標(biāo)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算，找出車輛異常共振的原因是傳動(dòng)軸（前/后）分配比例失調(diào)，后軸過長，從而導(dǎo)致在一定車速下，傳動(dòng)軸的固有頻率發(fā)生偏離，與駕駛室產(chǎn)生共振區(qū)域直接落在樣機(jī)正常行駛的車速區(qū)間內(nèi)。此次測試為車輛異常共振診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)參考，并通過實(shí)車優(yōu)化，驗(yàn)證了問題真因所在。