重型卡車駕駛室振動問題研究綜述

顧亞升，王汝佳，易愛迪

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001）

在國內(nèi)重型卡車迅猛發(fā)展的同時，人們對車輛駕駛室內(nèi)的NVH 性能也愈加關注。之前，不管是重卡車企還是車主都更注重重卡的實際收益，除了重型卡車本身的安全性能，主要關注車輛的載重性能以及其運輸時長。然而，由于重型卡車主要用于長途運輸，在運輸過程中，駕駛時間長以及噪聲、振動帶來的惡劣駕駛環(huán)境容易導致駕駛員易疲勞，存在安全隱患。特別是國內(nèi)很多車企生產(chǎn)的車輛，在道路上行駛時常會出現(xiàn)駕駛室異常振動或低頻抖動的問題，嚴重影響駕駛員的駕車體驗。本文針對重型卡車在路面行駛時遇到的振動問題，綜述相關的研究成果并給出減振措施，對車輛在試驗階段的減振測試給出有針對性的方法建議。

1 重型卡車駕駛室振動問題的來源

根據(jù)經(jīng)驗判斷可以知道，卡車駕駛室振動問題的大致來源為發(fā)動機工作時的激勵、行駛時路面的激勵、變速箱的振動傳遞和卡車輪胎的自身因素。

國內(nèi)已有人對重型卡車駕駛室的振動來源進行了詳盡的計算分析，文獻[1]中，孫宗璽對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和排除，找到引起重型卡車駕駛室振動的主要原因，得到計算公式=×/60，其中為發(fā)動機轉速，為缸數(shù)。發(fā)動機工作時所產(chǎn)生的振動為高頻振動，而人體對10 Hz 以下的低頻振動感受才明顯，所以發(fā)動機的振動對駕駛室振動影響不大；當卡車的時速達到50 km/h 時，發(fā)動機轉速達1 300 轉，此時的變速比基本為1，變速箱引起的振動頻率為21 Hz 左右，也屬于高頻振動，與駕駛室的振動無關；而通過計算發(fā)現(xiàn)，輪胎和路面引起的振動容易被人體感應，對駕駛室的振動有影響，理論上來看是造成駕駛室抖動的根本原因。

由于重型卡車整體是一個復雜的振動系統(tǒng)，通常情況下裝配的輪胎性能不夠均勻，會產(chǎn)生較大的激勵。此外，由于重型卡車的懸架系統(tǒng)、車架的彈性模態(tài)以及車身懸置的模態(tài)等多個模態(tài)頻率都在0～10 Hz 的低頻區(qū)間，極易受車輪的激勵所激發(fā)，導致卡車行駛時駕駛室低頻抖動。

2 重型卡車駕駛室振動研究現(xiàn)狀

重型卡車的乘坐舒適性是評價卡車性能的一個關鍵因素，卡車在路面上行駛會受到多方面的振動影響，駕駛室的振動系統(tǒng)非常復雜，因此研究重型卡車駕駛室的振型和固有頻率對重型卡車舒適性意義重大。通常常人們會調(diào)整駕駛室的固有頻率以錯開行駛時卡車的振動頻率，從衰減駕駛室的振動的角度來改進卡車的乘坐舒適性。由文獻[2]知，通常獲得駕駛室結構的固有振動頻率以及振型有2 種方法，一種是利用樣車的白車身模態(tài)分析獲得所需要的振頻和振型；另一種是通過建模仿真，分析計算出駕駛室的各階振動頻率和振型。由文獻[3-6]知，理論分析時，可利用相關軟件進行計算和分析，這種方法對樣車的依賴性較小，沒有試驗環(huán)境或條件的情況下可以用此方法，但理論計算所得出的數(shù)值與實車試驗的數(shù)值存在偏差，因此理論計算方法在車輛的研發(fā)和生產(chǎn)方面有較廣泛的運用，對解決車輛的工程問題作用不大。盡管對實車進行道路測試來獲取固有頻率需要投入大量的時間和精力，但能夠更切實地體現(xiàn)實車的問題，故而在解決工程問題時工程試驗的可靠性更高。

駕駛室懸置對卡車駕駛室的振動起著重要作用，主要靠其結構以及元件的力學特性減振。文獻[7]中，WⅠLLⅠAM 在2000 年曾對空氣彈簧和減振器布點位置進行調(diào)整測試，調(diào)低駕駛室懸置系統(tǒng)的固有頻率，優(yōu)化減振器阻尼，達到減振目的。文獻[8]中，2001 年ALEXANDER 研究試驗了空氣彈簧，對半浮式的懸置系統(tǒng)與全浮式的懸置系統(tǒng)進行對比，得出全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)的振動性能好的結論，抵抗沖擊載荷與安全性能都很好。文獻[9-10]中，2002 年，WARD 對不同的駕駛室懸置結構進行了分析比較，研究駕駛室俯仰和側傾的振動特性，得出4 點式駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振效果最佳的結論。文獻[11]中，2007 年，PARAS利用ADAMS 軟件對重型卡車進行了整車建模，優(yōu)化了卡車的平順性，并且發(fā)現(xiàn)重型卡車的后懸架系統(tǒng)對車輛平順性影響不大，通過調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的剛度和阻尼，達到提高車輛平順性目的。文獻[12-13]中，2010 年ALAOR 等采用DOE 方法，分析了駕駛室懸置系統(tǒng)和前懸架系統(tǒng)的參數(shù)對乘坐舒適性的影響，并重新匹配了駕駛室懸置系統(tǒng)的參數(shù)，達到減小駕駛室內(nèi)振動的目的，提高了駕駛室的乘坐舒適性。

國內(nèi)對于重型卡車的乘坐舒適性以及駕駛室抖動等問題，大多數(shù)企業(yè)一般通過經(jīng)驗調(diào)整駕駛室懸置的剛度和阻尼來解決問題，缺乏一套系統(tǒng)而完善的解決方案。

3 重型卡車駕駛室抖動來源分析

3.1 車架對駕駛室抖動的影響

重型卡車的車架是承載卡車載荷的重要部件，車架的模態(tài)會隨著卡車的載貨量的增加而降低，如果車輪的激勵和車架的固有頻率重合則會造成共振，從而使整車劇烈振動。

國內(nèi)在車架對卡車行駛時的抖動影響方面有不少研究。文獻[14]中，劉大維等以在水平路面上以時速60 km/h 行駛的某自卸車為研究對象，對其橫向抖動進行相關測試，找出自卸車異常抖動的原因，車輪不平衡引起的激勵與車架的一階、二階固有頻率產(chǎn)生共振，導致車輛橫向異常抖動。文獻[15]中，東風的時磊通過常規(guī)的振動試驗以及整車的模態(tài)試驗對某卡車在57 km/h 行駛時出現(xiàn)的的駕駛室低頻抖動問題進行研究，發(fā)現(xiàn)車架整體的一階彎曲是導致卡車駕駛時出現(xiàn)低頻抖動的原因。論文提出利用增加車架和車廂副梁間的連接剛度來增大整車的彎曲剛度，從而提高卡車行駛時的乘坐舒適性，但鑒于成本高并未采用。改換方案，調(diào)低前橋鋼板彈簧剛度，增大1 倍阻尼比后，效果甚微。之后通過改半浮式駕駛室懸置為全浮式后，減少了1.5 m/s的振動幅值。文獻[16]中，傅春宏等以車速40 km/h 行駛的某中型卡車為研究對象，利用有限元分析與道路試驗結合的方法研究行駛時駕駛室異常抖動的問題，得出車輪產(chǎn)生的搖振頻率3.17 Hz 與整車的固有頻率3.01 Hz 共振是引發(fā)卡車駕駛室異常抖動的原因。上述研究中，按照車速40 km/h 計算的車輪搖振頻率如表1 所示。相關整車模態(tài)計算結果如表2 所示。

表1 車輪搖振頻率[16]

表2 整車固有頻率[16]

文獻[17]中，胡溧等對某款駕駛室異常抖動的商用車進行研究，通過道路測試收集車輛信號，綜合分析處理過的數(shù)據(jù)，找到導致駕駛室異常振動的較大振動路徑。發(fā)現(xiàn)當車速接近45 km/h 時，車輪的激振頻率和駕駛室的一階頻率相近，引發(fā)共振且駕駛室懸置的隔振效果欠佳。針對此問題，采用ADAMS 動力學軟件進行建模仿真，優(yōu)化駕駛室懸置的參數(shù)，同時提出改善方案，解決問題。文獻[18]中，由于在車架彎曲振動方面欠缺改進措施，一般通過增大車架前段縱梁剛度或貨箱副梁的彎曲剛度，以及兩者間的連接剛度。在車架上固定安裝車廂會增大整車的彎曲剛度與模態(tài)頻率。通過試驗發(fā)現(xiàn)在車架和車廂副梁間用橡膠墊隔離時能夠降低車架和副梁連接的整體剛度，從而達到削弱整車抖動的效果。

在車輛開發(fā)后期，通過大幅度改進車架剛度來消除振動的目的不現(xiàn)實，改進駕駛室懸置的剛度對減振有一定的效果，由于車架存在共振，問題很難被徹底消除。當車架發(fā)生彎曲振動時，車架前端的振動會比較大，一般駕駛室的前懸在車架最前端，故駕駛室前懸對車架的振動傳遞有很大影響。鑒于車架承載著動力總成、懸架、駕駛室等各種附件，因此這些部件在車架上，會對車架的模態(tài)產(chǎn)生影響。與僅分析車架的模態(tài)去預測車架是否會發(fā)生共振相比，建立整車模型對車架的彎曲或扭振進行預測分析的效果更好。

3.2 懸架對駕駛室抖動的影響

卡車的懸架大都選用鋼板彈簧式懸架，由于國內(nèi)外情況有差異，國內(nèi)的板簧式懸架普遍要考慮超載因素，整車偏頻較高。比如文獻[20]中某重型卡車后懸架的振頻達到了4.5 Hz，一旦車輪的激勵頻率靠近懸架的偏頻時會造成整車抖動。當前懸架發(fā)生共振時，駕駛員通常的感覺是垂直跳動；當后懸架發(fā)生共振時，對于短軸距的載貨汽車，振動極容易傳遞到駕駛室，這時駕駛員會感到一定程度的俯仰振動。國內(nèi)的趙敬義等對在車速為55 km/h 時發(fā)生垂向異常抖動的某重型卡車展開研究，通過試驗發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題時的頻率為4.5 Hz，激勵源是輪胎的旋轉激勵，車架的振動譜振存在2.8 Hz 和4.5 Hz 這2 個固有頻率，振譜為4.5 Hz 懸架的后偏頻。文獻[19]中，對整車振動進行優(yōu)化時，很少對后懸架進行改動，選擇對車橋的裝配以及輪轂等加以限制，適當增大前懸架剛度，調(diào)整減震器的阻尼，對駕駛室懸置進行優(yōu)化，減振效果明顯。文獻[20]中，王杰等以在平直路面上勻速行駛的某輕型商用車為研究對象，車速為38 km/h 和60 km/h 時，出現(xiàn)有規(guī)律性的上下和前后振動進行試驗研究。當車速為38 km/h 時，研究發(fā)現(xiàn)主要由簧上偏頻共振引起的振動，通過調(diào)整剛度和阻尼，控制輪胎動平衡等，實現(xiàn)減振目的。文獻[21]中，楊年炯等針對以車速55～60 km/h 行駛時的某商用車駕駛室振動問題，利用傳遞路徑分析方法發(fā)現(xiàn)剛板彈簧的固有頻率和激勵頻率接近是主要原因。通過調(diào)低后板簧的剛度使其固有頻率降低了0.5 Hz，問題得到解決。

3.3 駕駛室懸置系統(tǒng)對駕駛室抖動的影響

駕駛室和駕駛室懸置系統(tǒng)有六階剛體模態(tài)，大多情況下，其垂直、俯仰等模態(tài)都低于10 Hz，若懸置系統(tǒng)的頻率配置不合理，容易造成駕駛室抖動。通常由于卡車駕駛室自身的剛度較高，其彈性體模態(tài)要遠高于車輪的一階激勵頻率，難以被激發(fā)，兩者不會產(chǎn)生共振。近些年國內(nèi)也有不少研究人員展開駕駛室懸置對卡車行駛抖動影響的研究。文獻[22]中，郭福祥等對車速為62 km/h 的某輕卡行駛時駕駛室存在的6.8 Hz的振動問題進行研究，優(yōu)化了駕駛室橡膠懸置系統(tǒng)的固有頻率與解耦特性。經(jīng)過實車試驗驗證，將駕駛室的振動加速度幅值減少近1/3。文獻[23]中，白云志等針對國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的重型卡車中存在部分車輛在行駛時出現(xiàn)駕駛室異常抖動的問題展開研究，通過對問題車輛進行試驗，采集整車振動信號，并對駕駛室抖動的原因展開分析，通過分析振動信號的互功率譜密度和相關性函數(shù)，發(fā)現(xiàn)駕駛室抖動的原因是車橋不平衡和駕駛室懸置的減振不到位。通過調(diào)整前后駕駛室懸置剛度與阻尼，并利用ADAMS 仿真建模驗證改進方案，降低振動幅值69.9%。懸置參數(shù)優(yōu)化前后駕駛室質心振動加速度的頻譜圖如圖1、圖2 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，駕駛室質心的振動加速度的幅值明顯降低，并且振動頻率的集中區(qū)間從3～4 Hz 下降到 2.3 Hz 附近。

圖1 懸置參數(shù)優(yōu)化前駕駛室質心振動加速度的頻譜圖[23]

圖2 懸置參數(shù)優(yōu)化后駕駛室質心振動加速度的頻譜圖[23]

改進由于車身系統(tǒng)匹配引發(fā)的卡車行駛抖動問題的措施主要是調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的垂向、俯仰等模態(tài)頻率。駕駛室懸置系統(tǒng)采用全浮式懸置結構，其頻率通常比較低，文獻[24]中全浮駕駛室的垂直頻率僅為1.4 Hz，俯仰頻率為1.6 Hz，故全浮式駕駛室的懸置系統(tǒng)在水平路面上很難與車輪激勵共振。

4 重型卡車駕駛室振動問題的優(yōu)化

4.1 輪胎的檢查與維護

通過研究發(fā)現(xiàn)，車輪以及輪胎總成的端調(diào)動、徑跳動和裝配精度誤差大是造成卡車低頻抖動的重要因素，因此需要加強對卡車輪胎的檢查與維護。需要經(jīng)常檢查胎壓，階段性地檢查輪胎與輪轂的磨損情況，若情況欠佳應及時更換相關輪胎；此外，也需經(jīng)常測試與修正車輪的動平衡，及時養(yǎng)護輪胎及車輪，降低其對駕駛室振動的影響。

4.2 匹配合適的懸置系統(tǒng)參數(shù)

影響重型卡車駕駛室振動的因素很多，除了車輪及輪胎外，還有車架、懸架及駕駛室懸置等，但是對于已經(jīng)研發(fā)和設計好的新車，從對新車進行摸底到符合標準而驗收的測試與優(yōu)化過程中，優(yōu)化車架和懸架等既成結構的方案很難被接受，對駕駛室懸置系統(tǒng)進行剛度和阻尼調(diào)整，并且通過試驗對比可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整過懸置系統(tǒng)剛度和阻尼的車輛的振動情況明顯優(yōu)于未進行調(diào)整前的振動狀況。

4.3 解決工程實際問題的建議

一輛新車從研發(fā)設計開始，到制造出來后，再到基本完善可以投入市場的過程中，還要經(jīng)過反復的測試與優(yōu)化，待達到期望的對標車的水平層次后，方可量產(chǎn)并正式投入市場。其中，研發(fā)和設計過程中基本上已經(jīng)把重型卡車的整車架構完備，對于制造出實車后的測試與優(yōu)化過程，一般不會再對大的機構，如車架、懸架以及駕駛室等進行修整。對于駕駛室振動問題的解決，一般通過調(diào)整懸置系統(tǒng)的彈簧剛度和阻尼器阻尼，或是更換車胎、車輪或是一些簡單易拆卸的構件進行調(diào)試減振。在做工程項目時，大多通過道路測試采集信號，然后分析處理相關數(shù)據(jù)，找到問題所在，最后按照經(jīng)驗調(diào)試不同組合的剛度和阻尼并進行測試比較，找出減振效果最佳的一組彈簧剛度與阻尼器阻尼參數(shù)作為解決方案。

通過對解決重卡駕駛室振動的方法的研究，基于工程實際問題擬提出一種解決駕駛室振動問題的方案：利用傳遞路徑分析方法，對實車進行布點測試，對各測點數(shù)據(jù)進行計算分析，找出對駕駛室振動影響較大的點，有針對性地對影響重型卡車駕駛室振動的較大振動點進行懸置參數(shù)的調(diào)整，利用ADAMS 建立駕駛室及其懸置系統(tǒng)的仿真模型，對改進方案進行分組對比擇優(yōu)，然后進行試車測試驗證。此方案對于工程項目具有重要的現(xiàn)實意義，可以減少測試工程，縮短試驗周期。

5 結語

對于國內(nèi)部分重型卡車在行駛時出現(xiàn)駕駛室振動或抖動的現(xiàn)象，本文闡述了駕駛室振動的來源，結合國內(nèi)近些年的相關研究成果，主要從車架、懸架以及駕駛室懸置系統(tǒng)3 個方面綜述對駕駛室振動影響的成果，并給出一些優(yōu)化駕駛室振動的措施，提出將傳遞路徑方法與解決駕駛室振動的常用方法相結合，針對性地對影響重型卡車駕駛室振動的較大振動點進行優(yōu)化，更好地縮減測試駕駛室有振動問題的工程，達到減振目的。