某輕型客車地板振動發(fā)麻的試驗(yàn)及控制*

王長新，史文庫，陳志勇，張一京，郭福祥

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春，130022)(2.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院 南京，210028)(3.南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部 南京，210028)

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某輕型客車地板振動發(fā)麻的試驗(yàn)及控制*

王長新1，史文庫1，陳志勇1，張一京2，郭福祥3

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春，130022)(2.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院 南京，210028)(3.南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部 南京，210028)

針對某輕型客車高速時中部和后部地板振動腳感發(fā)麻的問題，首先，對車架和車身地板進(jìn)行模態(tài)摸底測試和實(shí)車道路試驗(yàn)測試；其次，采用階次跟蹤法和頻譜分析法分析出傳動軸1階扭轉(zhuǎn)振動是地板振動的主要激勵源，并利用模態(tài)分析法發(fā)現(xiàn)地板的第8階局部模態(tài)頻率與傳動軸的1階頻率相接近，地板的局部共振是其振動發(fā)麻的主因；然后，從激勵傳遞路徑和優(yōu)化地板模態(tài)分布兩方面著手進(jìn)行改進(jìn)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)優(yōu)化傳動軸橡膠支承的剛度，以最大幅度地減少傳動軸振動向車內(nèi)的傳遞，并采用有限元技術(shù)優(yōu)化了地板的模態(tài)分布，使之避開了發(fā)動機(jī)和傳動軸的工作頻率范圍；最后，通過樣車試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性，解決了地板振動發(fā)麻的問題。

地板振動； 模態(tài)分析； 譜分析； 橡膠支承； 非線性剛度

引 言

汽車的噪聲、振動和聲振粗糙度(noise vibration harshness,簡稱NVH)特性是評價汽車綜合性能的重要指標(biāo)，也是汽車廠商提高競爭力的主要方面[1-3]。隨著社會的發(fā)展，人們對車輛舒適性的要求越來越高。世界各大汽車公司在產(chǎn)品開發(fā)階段或車型改進(jìn)初期都把NVH性能作為一項(xiàng)主要指標(biāo)來校核。在對某輕型客車進(jìn)行NVH性能主觀評價的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速增加到90～120 km/h時，車內(nèi)中部和后部地板有明顯的振動，乘員腳部感覺發(fā)麻，很不舒適。因此，需要對其進(jìn)行試驗(yàn)測試，分析并找出問題根源，再采取有效措施以減小或消除該振動。

目前,研究車輛地板振動的方法有多種，如模態(tài)分析法[4]、頻譜分析法[5]、子結(jié)構(gòu)法[6]、逆子結(jié)構(gòu)法[7]和傳遞路徑分析法(transfer path analysis,簡稱TPA)[8-9]等，但常用的方法主要是模態(tài)分析法和頻譜分析法。模態(tài)分析法是機(jī)械振動系統(tǒng)分析的基本方法，頻譜分析法是對振動問題發(fā)生后進(jìn)行診斷而常用的方法。子結(jié)構(gòu)法主要適用對象是大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，由于子結(jié)構(gòu)法在矩陣求逆時會產(chǎn)生不小的誤差而使關(guān)鍵響應(yīng)譜變形甚至出現(xiàn)假峰值，于是就有了逆子結(jié)構(gòu)法[7]，也是用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。TPA法多用來研究噪聲或聲振耦合問題，使用起來較繁瑣，可操作性不強(qiáng)。這些方法在客車地板振動研究方面的應(yīng)用較少。

通常導(dǎo)致汽車地板振動的因素主要分兩類:一類是振源激起的車身系統(tǒng)共振(輕型客車振源包括發(fā)動機(jī)的振動、傳動軸的振動、排氣管的振動和車輪的不平衡振動等)，當(dāng)車架或車身地板的某模態(tài)頻率和車上某振源的某階激勵頻率一致時而引發(fā)的共振；另一類是振源通過連接件傳遞過來的振動。由于客車車身系統(tǒng)存在較強(qiáng)的非線性，采用傳遞路徑法和子結(jié)構(gòu)方法就產(chǎn)生較大誤差，且操作實(shí)施難度大[10]。同時由于汽車激勵源具有明顯階次特征，通過階次跟蹤和頻譜分析可以很容易發(fā)現(xiàn)地板振動的階次特征，從而很快確定激勵源；所以，筆者采用模態(tài)分析和頻譜分析相結(jié)合的方法來找出引起車身地板強(qiáng)烈振動的原因。

1 車架和車身地板模態(tài)摸底測試

模態(tài)摸底測試的目的是了解車架和車身的模態(tài)分布情況，檢查二者主要模態(tài)是否處在發(fā)動機(jī)和傳動軸的工作頻率范圍之間，以免發(fā)生共振。

1.1 車架的模態(tài)測試

由于所研究車輛的車身不是承載式車身，而是由車架和車身殼體組成，車身和車架是半彈性連接，因此車架的模態(tài)對車身地板的振動有重要影響。車架的模態(tài)分布一般是生產(chǎn)廠家事先根據(jù)整車的模態(tài)規(guī)劃確定好的。由于廠家不能提供該車的車架模態(tài)，所以需要對該車架進(jìn)行模態(tài)摸底測試。試驗(yàn)采用LMS.Test.Lab測試系統(tǒng)和MB MODAL-110型電磁式模態(tài)激振器。為了使激振各個方向上都有能量傳遞，車架前后布置2個激振器，激勵的方向互成一定角度，如圖1所示。測點(diǎn)和激振點(diǎn)位置選取需要參考有限元仿真結(jié)果或工程經(jīng)驗(yàn)，如圖2所示。模態(tài)試驗(yàn)得到車架的前7階模態(tài)結(jié)果見表1。

圖1 車架模態(tài)測試

圖2 車架模態(tài)測點(diǎn)和激振點(diǎn)分布

表1 車架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 The results of frame mode test

階數(shù)模態(tài)頻率/Hz振型111.3整體1階扭轉(zhuǎn)214.8橫向1階彎曲330.1整體1階彎曲435.8兩大梁相互錯動543.2整體2階扭轉(zhuǎn)664.3橫向2階彎曲794.1橫向3階彎曲

1.2 車身地板的模態(tài)測試

實(shí)車地板振動是整車裝配狀態(tài)下的振動，整車的裝備質(zhì)量約為3 t。地板的振動受車身地板連接件的影響,該車的車身地板與車架前部是彈性連接，后部是螺栓剛性連接，而且車內(nèi)地板上鋪裝有木板和橡膠墊，并安裝有座椅,這樣需要測試的地板模態(tài)是在整車裝配約束狀態(tài)下的模態(tài)。試驗(yàn)所用傳感器和激振器都直接布置在該車地板底部,所用測試設(shè)備同前面車架模態(tài)測試的一樣。 由于部分車身附件和車輪的影響，地板測點(diǎn)的布置如圖3所示。激振器的位置是一前一后，這樣既考慮能量的傳遞，也方便校驗(yàn)激勵的相干性。前后兩個激振器和加速度傳感器的布置如圖4所示。

圖3 車身地板模態(tài)測點(diǎn)和激振點(diǎn)分布

圖4 激振器布置和LMS測試系統(tǒng)

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可以得到地板的各階模態(tài)，這里只給出對地板振動局部發(fā)麻有關(guān)鍵影響的模態(tài)(局部第8階振型，模態(tài)頻率為58.773 2 Hz)。如圖5所示，其中顏色越深表示該階振型下該處相對振動幅值越大。表2為車身地板試驗(yàn)得到的前10階模態(tài)結(jié)果。

圖5 車身地板局部第8階模態(tài)

表2 車身地板模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The results of frame mode test

階數(shù)模態(tài)頻率/Hz振型113.89前部1階彎曲235.89后部1階彎曲338.91整體2階彎曲443.79整體2階扭轉(zhuǎn)548.19后部中心鼓包652.91后部3階扭轉(zhuǎn)756.40后部3階彎曲858.77前后中心鼓包962.32整體3階彎曲1073.41后部中心凸起+后部2階彎曲

2 整車地板振動道路測試

該測試的目的是對實(shí)際車輛的振動問題進(jìn)行重現(xiàn)，試驗(yàn)時采用不同工況使多個振源部件中的一個或多個停止工作，以便對比分析，從而快速地找到問題源。

引起整車內(nèi)地板振動的原因有多種，包括發(fā)動機(jī)的振動、傳遞軸的振動、排氣消聲器管的振動以及輪胎的不平衡引起的振動，這些振源都有可能把振動傳遞到車內(nèi)地板上。為了弄清哪些振動傳遞到車內(nèi)地板并引起了90～120 km/h速度范圍內(nèi)劇烈振動，特別是第2，5排乘員腳部感覺發(fā)麻的問題，在各個可能激勵源被動端和車內(nèi)地板各排座椅處上都布置了加速度傳感器，見表3。圖6為車內(nèi)地板的加速度傳感器布置圖和所使用的LMS測試前端。

圖6 車身地板上傳感器布置和LMS測試前端

表3 振動加速度傳感器布置分布

Tab.3 Arrangement of acceleration sensors

序號傳感器位置類型數(shù)量/個1發(fā)動機(jī)懸置被動端三向加速度傳感器32傳動軸前后支承被動端三向加速度傳感器23排氣系統(tǒng)懸吊被動端單向加速度傳感器84前懸架彈性元件車架端三向加速度傳感器45后懸架彈性元件車端三向加速度傳感器46車內(nèi)地板單向加速度傳感器26

道路試驗(yàn)工況有4種：勻速行駛工況、原地勻加速工況、勻加速工況和高速熄火空擋滑行工況。第1種工況是對主觀評價的問題進(jìn)行再現(xiàn)實(shí)測，后3種工況是激勵源同時或不同時掃頻的過程。通過對比能夠發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)振動響應(yīng)與哪個激勵源有關(guān)系，同時檢查系統(tǒng)是否存在共振現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對該車地板振動發(fā)麻的問題，首先，對勻速行駛工況下測得的車內(nèi)地板不同測點(diǎn)的振動信號進(jìn)行頻譜分析，分別找出各車速下各測點(diǎn)的主要峰值頻率(這里稱為問題頻率)；然后，進(jìn)行對比分析，以發(fā)現(xiàn)共性問題。圖7為地板各測點(diǎn)振動的前兩個主要問題頻率與車速的關(guān)系，可以明顯看出,中高車速時傳動軸的1階激勵頻率是第一問題頻率，它是引起地板振動的主要激勵源。

圖7 前兩個問題頻率與車速的關(guān)系

另外3種工況都是激勵掃頻的過程，只是激勵源不相同。原地勻加速時，只有發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)的激勵；勻加速時，該車的全部激勵源為發(fā)動機(jī)、排氣系統(tǒng)、傳動系和車輪；高速熄火空擋滑行時，只有傳動系和車輪還在運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生激勵。激勵掃頻的目的是判斷在車輛使用車速下，車身系統(tǒng)是否存在共振，以及有哪些階次的頻率引發(fā)的共振，從而確定共振激勵源。不同的工況對比也可判斷激勵源的影響。限于篇幅，這里只對比第5排中間座椅地板的3種掃頻工況的頻譜，如圖8～圖10所示(變速器最高檔傳動比為0.78，對應(yīng)于發(fā)動機(jī)的1.28階)。

圖8 原地勻加速工況第5排中間地板的瀑布圖

圖9 勻加速工況第5排中間地板的瀑布圖

圖10 熄火空擋滑行工況第5排中間地板的瀑布圖

通過圖8～圖10階次對比可以看出，該車高速(90～115 km/h)行駛時所產(chǎn)生的地板振動主要是由傳動軸1階引起的，并且出現(xiàn)以58 Hz為中心的共振帶。對比前面車架和車身地板模態(tài)發(fā)現(xiàn)，車架不存在58Hz的模態(tài)頻率，而車身地板存在58Hz的模態(tài)頻率(其模態(tài)振型見圖5)，這與主觀評價發(fā)現(xiàn)的地板振動發(fā)麻的位置相符，從而可以確定是傳動軸的1階激勵引發(fā)了車身地板的模態(tài)共振并導(dǎo)致了地板的局部強(qiáng)烈振動。實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，對于客車車身系統(tǒng)來說，由于存在較強(qiáng)的非線性，相干性的分析結(jié)果往往不盡人意。綜上所述，可以從改進(jìn)激勵傳遞路徑和優(yōu)化地板模態(tài)分布兩個方面著手來解決該地板振動發(fā)麻的問題。

4 改進(jìn)及仿真優(yōu)化

4.1 傳動軸橡膠支承剛度仿真優(yōu)化

為了最大幅度地減小傳動軸產(chǎn)生的1階激勵向車內(nèi)的傳遞，這里采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立傳動系的多體動力學(xué)虛擬模型。模型是實(shí)際傳動軸的三維數(shù)模通過simdesigner 直接導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)軟件中的。零部件的參數(shù)和實(shí)際一樣，唯有橡膠支承的特性參數(shù)需要通過試驗(yàn)的方法測得。由于橡膠支承的剛度是非線性的，所以在Adams_View中使用Bushing和Gforce命令來聯(lián)合模擬。分別以傳動軸的兩個橡膠支承處的垂向振動大小為目標(biāo)對原有橡膠支承的六向剛度曲線進(jìn)行改進(jìn)仿真優(yōu)化，改進(jìn)優(yōu)化是基于橡膠支承原來的性能曲線的。圖11為所建立的該傳動軸的虛擬多體動力學(xué)模型。

圖11 傳動軸多體動力學(xué)模型

這里僅給出橡膠支承的2個關(guān)鍵方向上的靜剛度變化曲線，其他4個方向上的剛度曲線變化不大，這里不再給出。圖12，13分別為z向和繞y向的優(yōu)化前后的剛度對比曲線(圖中坐標(biāo)方向?yàn)檎囎鴺?biāo)方向)。

圖12 橡膠支承z向剛度對比

4.2 地板模態(tài)分布優(yōu)化

車內(nèi)地板的模態(tài)分布優(yōu)化就是使其模態(tài)分布更加合理，使之避開車上激勵源的工作頻率。針對試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)的車內(nèi)地板的第8階局部模態(tài)落在了傳動軸的1階激勵頻率范圍而引起了地板局部共振。筆者使用有限元軟件建立了車架和車身地板連接一起的有限元模型，如圖14所示。使用該模型來近似模擬和分析車身地板的約束模態(tài)，并針對問題模態(tài)進(jìn)行地板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使該模態(tài)分布避開傳動軸的工作頻率。結(jié)合工程實(shí)際情況，主要對地板模態(tài)有重要影響的地板橫梁的位置及數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。通過對地板模態(tài)靈敏度分析找出關(guān)鍵橫梁，并結(jié)合問題模態(tài)，可以得到既經(jīng)濟(jì)又可行的方案，即在地板后部增加1根橫梁，在地板前部調(diào)整了1根橫梁的位置(見圖14)。

圖13 橡膠支承y向扭轉(zhuǎn)剛度對比

圖14 車身地板和車架有限元模型

針對改進(jìn)后的地板結(jié)構(gòu)試制了樣車以進(jìn)行地板模態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證。測試的方法、傳感器的布置位置及使用試驗(yàn)設(shè)備與前面一樣。測試的對應(yīng)局部第8階模態(tài)如圖15所示，與改進(jìn)前的圖5對比，可以看出模態(tài)頻率基本一致，前后共振峰值基本消失，只是在地板前端出現(xiàn)一新的小峰值。由于該車車內(nèi)前部地板上鋪有泡面墊，并且該部無乘客座椅，所以該模態(tài)對振動NVH虛擬影響很小，可以忽略。這樣，車內(nèi)地板的模態(tài)分布得到了優(yōu)化，消除了共振發(fā)生的可能性，有利于控制地板的振動。

圖15 優(yōu)化后車身地板局部第8階模態(tài)

5 工程實(shí)施驗(yàn)證

根據(jù)前面?zhèn)鲃虞S橡膠支承剛度優(yōu)化所提出的方案，對該車的原有傳動軸橡膠支承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足優(yōu)化后橡膠支承剛度的要求。圖16為優(yōu)化前后的傳動軸橡膠支承。根據(jù)傳動軸橡膠支承和車內(nèi)地板的優(yōu)化方案進(jìn)行樣車試驗(yàn)驗(yàn)證和NVH主客觀的評價，試驗(yàn)的方法與過程和前面一樣，也可只測量車內(nèi)地板振動的響應(yīng)，試驗(yàn)工況僅為勻速工況或者高速勻加速工況。由于篇幅有限，只給出車速為100 km/h下第2和第5排中間座椅地板振動的對比情況，如圖17,18所示。

圖16 傳動軸橡膠支承改進(jìn)前后對比圖

圖17 100 km/h時第2排座椅地板振動響應(yīng)對比

圖18 100 km/h時第5排座椅地板振動響應(yīng)對比

對比圖17,18不難看出，優(yōu)化后的車內(nèi)前后地板振動強(qiáng)度都大幅度減小(約60%)，與主觀評價結(jié)果一致，腳感發(fā)麻現(xiàn)象消除，地板振動得到有效控制，整車的NVH性能也得到改善和提高。

6 結(jié) 論

1) 針對輕型客車的車內(nèi)地板振動局部強(qiáng)烈問題，提出了一套試驗(yàn)測試的方法和流程，為類似問題的解決提供了參考。

2) 采用模態(tài)分析和頻譜分析方法快速有效地發(fā)現(xiàn)地板振動問題的根源，然后從激勵傳遞和地板模態(tài)分布兩個方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3) 利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立多體模型，優(yōu)化了橡膠支承的非線性剛度，有效衰減振動的傳遞。采用有限元技術(shù)優(yōu)化地板的模態(tài)分布，使之避開了車上激勵源的工作頻率范圍，有效地避免了共振的產(chǎn)生，消除了地板振動發(fā)麻現(xiàn)象。

4) 所采用模態(tài)分析和頻譜分析相結(jié)合的方法能夠有效解決實(shí)際車輛的NVH問題，對實(shí)際工程問題具有實(shí)用性，并且便于實(shí)施，這對國內(nèi)客車的NVH性能提升具有一定的借鑒意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.06.008

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007220101002381)

2014-05-04；

2014-06-12

U463.4; TH113

王長新，男，1982年12月生，博士研究生。主要研究方向?yàn)槠嘚VH分析與控制。曾發(fā)表《Multi-objective optimization of the variable stiffness suspension of a light bus based on artificial immune algorithm》(《SAE Paper》No.2014-01-0883)等論文。 E-mail:wangchangxin168@163.com