副車架軟硬連接對整車舒適性的影響分析

高勝輝，趙 旭，李 林，蔣 欣

（1.廣東白云學院 機電工程學院，廣東 廣州 510450；2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

隨著汽車工業的發展和生活水平的提高，汽 車作為短距離代步和中長距離旅行的主要交通工具，其乘坐舒適性尤為重要。整車平順性和車內噪聲是乘坐舒適性的重要評價指標，良好的舒適性是家用轎車的首選。目前，國內外專家學者對汽車舒適性的研究不計其數，大多搭建整車多體動力學仿真模型，通過虛擬仿真計算來研究底盤各零部件對整車平順性的影響，從而對整車平順性進行優化[1]；通過噪聲傳感器對路噪進行系統測試、分析及改進，從而提高車內噪聲性能[2]。

汽車副車架是連接底盤懸架和車身的紐帶，同時也傳遞來自路面的振動和噪聲。目前，為了減少路面帶來的振動和噪聲，副車架主要是通過襯套軟連接的方式連接到車身上，從而使副車架和車身的連接具有一定的柔性。高晉等通過分別搭建副車架剛性和柔性整車模型，在隨機路面和脈沖路面對整車模型進行仿真分析，結果表明，副車架柔性連接整車平順性更好[3]。副車架硬度高，質量大，為了控制汽車研發成本同時又不損失整車舒適性能，本文考慮用機加工鐵塊代替襯套連接，通過實車道路試驗研究副車架軟硬連接兩種方案對汽車平順性和路噪的影響，以此來滿足現階段汽車研發過程中更高舒適性和更低成本兼具的要求。

1 試驗及數據采集

1.1 試驗設備

測試設備包括PCB Piezotronics的三向振動加速度傳感器及信號連接線、噪聲傳感器（麥克風）、LMS公司的測試分析系統及測試用PC機，采集車身各測點振動加速度信號和底盤各結構件傳遞路面到車內的結構噪聲信號，并對數據進行處理分析。

1.2 試驗方法

根據某企業整車平順性試驗方法，對某車型副車架軟硬連接方案進行平順性和路噪實車試驗，測試兩種方案下車身測點位置的三向振動加速度和車內前后排噪聲信號。同時選擇合適的評價指標對比兩種連接方案在不同路面下的平順性和路噪情況，為滿足汽車研發過程中降本增效的要求積累一定的數據和試驗基礎。

1.3 試驗條件

實車平順性和路噪測試對試驗路面和環境條件有一定的要求，汽車振動噪聲測試路面眾多，本文乘坐舒適性測試路面主要考慮隨機路面和脈沖路面。對于隨機路面，要求干燥平直，路面不平度均勻無突變，縱向坡度不大于1%的瀝青路面；對于脈沖路面，在光滑干燥路面固定布置一定尺寸的減速帶作為脈沖輸入，減速帶前后各保持一段距離的平整路面；對于試驗環境，要求瞬時風速不大于5 m/s，溫度不高于38 ℃，按照某企業整車平順性試驗標準整備試驗車輛[4]。本文采用某試驗場的粗糙路面60 km/h車速和光滑路面100 km/h車速進行隨機路面振動噪聲測試，采用減速帶路面20 km/h車速進行脈沖振動測試，減速帶橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 減速帶橫截面尺寸

1.4 試驗測點

試驗采用麥克風噪聲測試設備和PCB Piez- otronics的三方向振動加速度傳感器對路噪和整車平順性進行測試。車內噪聲測試受測試環境和測點位置的影響較大，根據測點的位置不同，測試得到的噪聲也會有差別。為了盡可能地結合乘員對車內噪聲主觀感受，前排測點布置在駕駛員右耳位置，后排測點布置在右后乘客左耳位置。整車平順性主要研究路面振動激勵對車內乘員舒適性的影響，因此，平順性試驗的測點應該盡可能布置在與乘員相接觸的地方。本文在方向盤、駕駛員座椅導軌和駕駛員左腳地板位置布置振動加速度傳感器，測量各測點在不同車速和路面下的振動加速度數據。其中方向盤測點是以方向盤法平面向內為x向，管柱軸向為z向，根據右手法則平穩地布置在方向盤十二點位置。

2 整車舒適性評價指標

乘坐舒適性的影響因素較多，影響程度也不盡相同，在評價整車舒適性時應該考慮車內路噪、行駛平順性、沖擊強度及余振等情況。因此，考慮到評價指標要能夠客觀地反映舒適度與不同路面平順性及路噪的關系，本文主要使用聲壓級評價方法，選擇A計權聲壓級評價指標來評價隨機路面車內前后排噪聲；使用總加權加速度均方根值來評價隨機路面的平順性[5]；使用四輪沖擊振動有效值并結合沖擊時振動加速度峰峰值和半周期振動衰減率來評價減速帶脈沖輸入路面的沖擊平順性。

2.1 基本評價方法

為根據ISO2631舒適性評價國際標準，當振動峰值系數小于9時，可以使用基本評價方法對整車平順性進行評價[6]。根據文獻[5]中的時域加速度信號加權濾波的理論依據，通過MATLAB編程設計加速度信號加權濾波網絡，對采集的各軸向振動加速度時域信號a(t)進行濾波和加權，得到加權加速度時間歷程aw(t)。同時對數據采集時間內的振動加權加速度信號進行積分，得到加權加速度信號aw。最后根據總的采樣點數求得加權加速度均方根值[7]：

式中，RMS為加權加速度均方根值，m/s2；n為總的采樣點數；aw為加權加速度值，m/s2。

各軸向加權加速度計算方法為

式中，T為用于振動數據分析的時間，一般取T≥ 50 s；aw(t)為各軸向加權加速度時間歷程。

對于某些測點，單軸向的加權加速度往往不能清楚地表達乘員整體的舒適性感受，需要根據各軸向振動對人體舒適性的影響程度，來計算測點的總加權加速度[8]。總加權加速度av計算方法為

式中，kx、ky、kz分別為各軸向加權系數；awx、awy、awz分別為各軸向加權加速度，m/s2。

方向盤和座椅導軌測點三個方向的軸加權系數取1，腳地板x、y、z三個方向的軸加權系數分別取0.25、0.25、0.40。

2.2 減速帶脈沖路面評價方法

減速帶脈沖輸入工況對各測點的振動評價指標選取四輪沖擊振動有效值作為平順性的主要評價方法，加權加速度的峰峰值和半周期衰減率作為輔助評價方法，主要評價減速帶脈沖路面的沖擊強度和振動衰減。

在減速帶脈沖輸入工況中，前后車輪通過減速帶視作一次沖擊，車輛行駛通過減速帶時的移動平均振動有效均方根值與通過減速帶前行駛在光滑路面的振動有效均方根值的最大差值，即為四輪沖擊振動有效值，計算如下：

式中，ΔRMSG為四輪沖擊振動有效值，m/s2；dM移動間隔點數；aw為振動加權加速度值；MG為汽車通過減速帶的采樣點數（前后車輪通過減速帶視作一次沖擊），計算如下：

式中，Round為取整計算；fs為采樣頻率，Hz；L為軸距，m；V為車速，m/s；W為時間窗系數，取W=1.05。

峰峰值是指加權后的加速度時間歷程的最大值與最小值之間的差值，計算如下：

式中，Peak為峰峰值，m/s。

前輪過脈沖時的振動衰減曲線如圖2所示。

圖2 前輪過脈沖振動衰減曲線

圖中，A1為脈沖振動加速度第二個峰值至第三個峰值的峰峰值，m/s2；A2為脈沖振動加速度第三個峰值至第四個峰值的峰峰值，m/s2。脈沖振動工況常用半周期衰減率作為評價指標評價沖擊振動的衰減程度[9]，半周期衰減率τ計算如下：

3 試驗結果對比分析

3.1 路噪試驗結果

人耳對聲音所感覺的強度取決于聲壓的大小和聲音的頻率，國際上評價噪聲的主要指標為A計權聲壓值，它能夠較好地反映人耳對噪聲的強度與頻率的主觀感覺[10]。對隨機路面噪聲進行采樣頻域內的A計權聲壓值計算，試驗結果如圖3所示。

圖3 副車架軟硬連接路噪對比結果

由圖4可知，粗糙路和光滑路副車架硬連接方案車內前后排噪聲均差于軟連接方案；粗糙路面噪聲相差在1 dB以內，光滑路面噪聲相差在2 dB左右，主要表現在100 Hz～130 Hz范圍內。因此，副車架硬連接會使隨機路面車內噪聲變差，并且隨著車速的增加，噪聲越差，副車架襯套軟連接能夠有效的改善隨機路面行駛時車內噪聲，從而提高舒適性。

3.2 隨機路面平順性試驗結果

以各測點的加權加速度均方根值作為隨機路面各測點平順性評價指標，分析副車架軟硬連接對整車平順性的影響。在LMS后處理模塊中進行頻域分析，得到各測點的振動頻域響應曲線。試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，在試驗誤差允許的范圍內，隨機路面上，副車架軟硬連接對平順性的影響不大，但是從頻域來看，方向盤z向在80 Hz時硬鏈接方案的振動明顯變大。因此，采用副車架硬連接方案，還應考慮降低方向盤的振動。

圖4 各測點振動頻域響應曲線

3.3 減速帶脈沖路面平順性結果

根據上文對減速帶脈沖路面平順性指標分析，有效值、峰峰值及衰減率的結果如表1所示。

表1 減速帶脈沖路面試驗結果

在MATLAB中將采集的時域加速度信號進行加權濾波處理得到振動加權加速度值，從而計算汽車前軸過減速帶時的振動衰減率，腳地板z方向的振動曲線如圖5所示。

由表1和圖5可知，副車架硬連接方案四輪沖擊振動有效值和峰峰值稍小于軟連接，且振動衰減稍好于軟連接，因此，采用副車架硬連接方案不會降低減速帶脈沖工況的沖擊平順性和余振衰減。

圖5 腳地板z方向振動加速度曲線

4 結論

本文從研究整車舒適性的目的出發，基于某試驗場粗糙、光滑和減速帶脈沖路面，對車內前后排噪聲、方向盤及前排導軌和腳地板測點的振動平順性進行實車測試，研究副車架襯套軟連接和機加工鐵塊硬連接兩種方案對整車平順性及噪聲的影響，結論如下：

1）副車架軟硬連接對路噪影響較為明顯。硬連接方案噪聲明顯增加，并且隨著車速增加噪聲增大。因此，對于高速行駛的車輛，采用副車架襯套軟連接方案能夠有效降低車內噪聲。

2）副車架軟硬連接對整車振動平順性影響不大。在隨機路面上，軟硬連接方案的整體平順性相差不大，但硬連接使方向盤z向80 Hz處的振動變差。在脈沖路面上，副車架硬連接方案的沖擊平順性及余振衰減情況與軟連接方案相差不大。

3）整車舒適性評價復雜且影響因素眾多。本文通過實車試驗對整車平順性和路噪進行測試，研究副車架軟硬連接對整車舒適性的影響程度，但實車試驗很難保證兩次試驗環境情況完全相同，實車數據處理也會存在一定誤差，因此，在試驗誤差允許的范圍內試驗結果存在小數值反向結果。副車架軟硬連接實車試驗為汽車研發過程 中更低成本和更高性能兼具的開發要求提供了一些借鑒，但在實際工程應用中采用副車架硬連接方案還需要綜合考慮整車的可靠性及耐久性能。