基于盲源分離的商用車駕駛室懸置系統隔振特性

劉春暉

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

近年來，國內商用車發展迅速，著名品牌有重汽、陜汽、紅巖、福田等。載重量從輕型、中型到重型的不同產品均有多個系列，商用車的產量和銷量逐年增加，質量和各方面性能也得到不斷提高。但是與乘用車相比，國內商用車的技術很多方面相對落后，特別是在設計和生產制造上與乘用車的差距很大，尤其在乘坐舒適性方面與客戶期望的要求還有較大差距。因此，提高商用車的舒適性已成為國內外汽車行業研究的一個熱點問題。

在機械振動信號處理領域，盲源分離的算法研究才剛剛起步，其應用也僅僅局限于旋轉機械的故障診斷，但還沒有成為一門成熟的技術。國外的某些商用車將機械振動和聲音信號混合后，通過BSS將機械振動源和聲源分離，并將其應用于工業用泵的診斷分析。在這方面，國外的某些研究機構的研究取得了一些可喜的成果[1]。國外另一知名研究機構的GELLE等人，利用其團隊的多年研究經驗，基于兩個小型直流電動機，采用卷積模型進行振動分析研究，通過模擬商用車懸置系統的模擬研究取得了較大的研究進展，證明了可以通過盲源分離分開兩個電機的旋轉角速度和一部分諧振頻率，提高了商用車的舒適性。ROAN團隊將獨立分量分析（Independent Component Analysis, ICA）作為一種全新的非線性自適應算法進行大型車駕駛室前懸置系統的故障分析。通過最大化方法研究齒輪振動信號，發現BSS方法無法分離齒輪振動信息，從而在一定程度上得出商用車懸置系統隔振效果，但指出通過學習曲線，能夠進行大型車算法故障檢測所引發的沖擊和數值變化，為進一步進行相關研究打好基礎。

1 駕駛室振動和噪聲原因

提高商用車乘坐舒適性的關鍵是解決商用車行駛中駕駛室的振動和噪聲問題。駕駛室振動主要由路面隨機激勵和動力總成激勵引起，發動機輸出轉矩的周期性波動和傳動系統不平衡慣性力通過駕駛室壁板的振動產生輻射噪聲。路面隨機激勵經車輪、車架和懸置系統的傳遞與總成激勵振動相互影響耦合[2]。因此，駕駛室的振動是一個十分復雜的多振源耦合振動。

2 信號的盲源分離

信號的盲源分離（Blind Source Separation,BSS）是指在信號源的基本信息（比如信號的數目、所在的位置）暫時不明確的前提下，只依據一組傳感器所獲取的信號。因為其理論價值重要，并且具有廣闊的應用前景，相關理論研究數量逐年增加。BSS在很多學科領域得到廣泛的應用，尤其是在語音信號處理領域、超聲波測試、生物信號處理領域得到廣泛的應用和發展，涌現了大量優秀的盲源分離算法。然而，在機械振動信號處理領域，對于盲源分離的算法研究才剛剛起步，其應用也僅局限于旋轉機械的故障診斷，基于盲源分離的減振和緩沖及降噪技術研究目前尚少有文獻報道。

3 駕駛室的振動與整車振動密不可分

因此，駕駛室懸置系統隔振參數的優化包括懸置系統自身對振源激勵響應的優化和整車環境下各懸置系統之間的匹配優化。通過ADAMS軟件和ANSYS軟件建立整車懸置系統的多體動力學模型，對底盤懸置、總成懸置進行綜合匹配優化，獲取可靠參數，獲取駕駛室懸置系統的最佳隔振性能技術參數，為懸置系統的產品設計開發和減振降噪改造提供可靠的技術數據，課題的研究具有重要工程實用價值。

針對商用車駕駛室懸置系統的隔振問題進行研究，將盲源分離技術、模態分析技術與動力學建模仿真技術綜合應用到商用車駕駛室懸置系統的產品開發設計[3]。以某型商用車駕駛室懸置系統的隔振特性為研究對象，研究商用車整車路譜振動信號的盲源分離方法，識別駕駛室在各種路況和車速下的激勵振源特征信息，結合對駕駛室懸置系統的振動模態分析，探明振源激勵與駕駛室懸置系統各階模態之間的響應規律以及駕駛室懸置系統的隔振特性，為懸置系統的參數優化提供理論依據。通過ADAMS軟件建立駕駛室懸置系統模型和整車多體動力學模型，進行整車環境下的駕駛室振動響應和懸置系統隔振特性動力學仿真，優化匹配懸置系統的技術參數，獲得駕駛室懸置系統的最佳隔振技術參數，為懸置系統的產品開發提供可靠的技術數據，解決商用車行駛中駕駛室的振動與噪聲較大問題，改善駕駛室的平順性和舒適性，提高產品設計水平。

4 駕駛室懸置平順性試驗

為了改善常見某重型商用車的懸置系統的隔振問題，我們采用了該車型典型駕駛室懸置系統的一套駕駛室懸置系統，其結構形式如圖1所示。前懸置的高度閥可以通過沖放氣囊彈簧內的氣體來進行高度的控制，在行車過程中振動時可以控制駕駛室相對于車架的垂向位置，從而可以達到比較舒適的目的，駕駛室采用的翻轉機構可以實現駕駛室較小力量進行翻轉，從而方便更換后懸置和檢修發動機[4]。

圖1中的駕駛室的前懸置采用左右對稱這種常見的“剪刀”結構，這種結構特點是左右共同緩沖上下方向的彈力，上支架和駕駛室通過螺栓固定連接，下支架通過螺栓固定在車架上，空氣彈簧為懸置主要承載、緩和沖擊部件，垂直置于支架與擺臂之間，當駕駛室兩側在正常行駛過程中上下跳動量一致時，左右懸置間沒有相對的位移運動，橫向穩定器在這種情況下也沒有載荷。

圖1 駕駛室前懸置結構

圖2中，駕駛室后懸置結構中的液壓鉸鎖能夠緩和駕駛室和后懸置各結構部件間的沖擊能量，在關鍵位置安裝了橡膠襯墊用來避免緩沖部件和振動部件剛性接觸。駕駛室內駕駛員的靠背和駕駛員腳部地板處分別安裝了單向加速度傳感器，用來測量振動時懸置的加速度。具有前翻功能的商用車駕駛室可繞前懸置翻轉點翻轉，翻轉的同時要求后置具備能斷開連接的功能。液壓系統的液壓鎖安裝在上支架和浮動的橫梁之間，螺栓將液壓鎖和浮動的橫梁固定為一體，懸置系統采用筒式減震器，并將其安裝于上下支架兩端之間。能夠起到緩沖減振作用，減振器能增加車身的橫向穩定性，以便提高駕乘人員的舒適性。

圖2 駕駛室后懸置結構

商用車的駕駛室懸置系統的結構和懸置元件所具有的力學性質決定了懸置的振動衰減能力（比如說在剛度和阻尼方面）。如果懸置的簧載質量或非簧載質量固有頻率、車架模態頻率，會嚴重影響駕駛室懸置系統隔振性能，導致其舒適程度降低[5]。

目前國內對駕駛室懸置系統隔振特性的研究，大部分都是針對乘用車進行的，對商用車懸置隔振性能的研究起步相對較晚，還缺乏完善的分析和開發設計體系，研究主要集中在底盤懸置系統和動力總成懸置系統，對駕駛室懸置系統尤其是對基于整車模型的駕駛室懸置系統的隔振特性研究還較少，產品存在駕駛室懸置系統與整車參數不匹配的問題，從而影響隔振性能。另外，將盲源分離的理論方法應用于駕駛室懸置系統的隔振特性分析尚未見文獻報道。因此，開展基于盲源分離的商用車駕駛室懸置系統隔振性能與參數優化研究，對于提高商用車懸置系統的產品設計開發水平，改善商用車的舒適性和安全性，具有十分重要的理論研究意義和工程應用價值[6]。

5 駕駛室懸置系統結構分析

建立重型卡車整車動力學模型，對駕駛室懸置系統進行分析，這種情況的工作量巨大、耗時長，同時不容易保證駕駛室的懸置系統方面的精度，在研究駕駛室懸置系統時，特別是在盲源分離進行應用研究時，大多數情況下，只需要將大型車駕駛室的前后懸置及駕駛室（包含附屬部件）的多體系納入考慮。圖3為商用車懸置系統的駕駛室與駕駛室結構中的前后懸置位置關系的示意圖。

圖3 駕駛室懸置系統示意圖

6 駕駛室懸置仿真模型

駕駛室懸置模型的搭建采用通用基礎模塊和ADAMS/View軟件在汽車領域的專用模塊來建模。主要是通過模塊化的方法，將整車劃分為不同的子系統，對不同的子系統分別進行建模處理。再拿各個子系統分別用來建立系統模板，進行模塊全方位的分析，最后經過通訊器的相關信息內容進行分析，相關部件裝配為整車動力學系統，從而十分方便對單個子系統的替換調試，從而測得其相關參數數值。駕駛室前后懸置ADAMS模型建立方法相同，后懸置中也基本等同于剛性不變形部件，彈性阻尼元件除外。后懸置模型如圖4所示。

圖4 后懸置模型

基于盲源分離的商用車駕駛系統使用的多體動系統模型的建立涉及到大量參數，且都要經過實際實驗才能獲得，這樣才能用來保證仿真模型的精確性，檢測到的各參數比較精確，主要包括幾何、力學、質量三個方面的參數。進行盲源測試時得到的各幾何參數主要為各零部件的外形尺寸、關鍵固定、鉸接等約束施加點的硬點坐標等方面的相關參數。力學參數包括氣囊彈簧的剛度、液壓減振器的阻尼系數以及力學元件的初始載荷、橡膠襯套的剛度等。質量參數包括各零部件的質量、轉動慣量[7]。

7 水平和發展趨勢

目前盲源分離已經應用于通訊、生物醫學、語音識別等領域，并取得了很好的效果。然而，盲源分離仍然存在一些關鍵理論與實際困難需要進一步研究。比如說，如果信號源個數未知、信號源個數多于測量信號個數的BSS。目前多通過稀疏矩陣的方法進行這類模型的BSS，對相關參數進行精確的測量。主要通過欠定模型破除稀疏信號源的局限。在如何利用已有的知識來提高盲源分離算法的性能方面，線性卷積模型比線性瞬時模型更符合實際，各汽車商用車設計廠家的廣泛應用，在這種情況下，需要將時域算法收斂的快慢和在頻域里幅值和排列不確定等問題解決，以便能得到更精確的參數。至于對非穩態信號進行BSS，目前的研究主要局限于穩態信號，然而在實際通信中，非穩態信號往往比較常見。并且這種信號相對來說是十分復雜的。算法的通用性問題，現有的盲源分離算法都是針對某一領域問題進行的研究，每種算法都在一定程度上取得了成功，但算法缺乏通用性，從而使應用對象受到限制。

在運動機械結構中，像航空航天器（特別是發動機）和車輛運動結構的正常運轉和試車過程中，運動機械的振動信號，特別是復雜的非平穩微弱振動信號的監測、提取與識別的理論方法和關鍵技術已經受到行業研究人員的廣泛重視，借助于盲源分離技術的振動信號提取是一個很有前途的新的工程信號處理技術。目前，研究人員正不斷地探討其各種不同的分離手段和對信號的分離算法。