商用車共振問題實(shí)例研究

郭志強(qiáng)，唐慶偉，曹德本

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

商用車共振問題實(shí)例研究

郭志強(qiáng)，唐慶偉，曹德本

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

商用車共振問題對(duì)整車的壽命和駕乘人員的健康影響極大，文章通過對(duì)某輕型商用車品牌開發(fā)過程中關(guān)于共振問題的處理，探索及總結(jié)商用車共振問題在設(shè)計(jì)初期共振預(yù)防、問題點(diǎn)排查、降低振幅、改變共振點(diǎn)的方法和經(jīng)驗(yàn)。

輕卡；共振；動(dòng)平衡；剛度；平順性

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.015

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-43-03

引言

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的商用車正在面臨著一場(chǎng)技術(shù)升級(jí)換代的變革，這場(chǎng)變革從2013年開始強(qiáng)制淘汰黃標(biāo)車、2014年發(fā)動(dòng)機(jī)排放全面升級(jí)國Ⅳ、2016年全面實(shí)現(xiàn)整車標(biāo)配ABS（防抱死系統(tǒng)）、2017年發(fā)動(dòng)機(jī)排放全面升級(jí)國Ⅴ等陸續(xù)出臺(tái)各種新法規(guī)、限排放、限重……

變革不僅僅是行業(yè)趨勢(shì)要求，更是時(shí)代在預(yù)示著不轉(zhuǎn)變即滅亡的永恒真理。國力的增長、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)商用車（輕卡）的要求不再停留在多拉、能跑的原始要求上，轉(zhuǎn)而對(duì)舒適性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保、適應(yīng)法規(guī)的要求越來越強(qiáng)烈，我們還在等待國外商用車攻城時(shí)才想起自身變革？顯然是不可取的。用戶對(duì)商用車駕駛舒適性尤其是常用速度段的共振抱怨一直未得到很好的解決，這也促使我們對(duì)該課題的進(jìn)行深入的探索及研究。

1、問題描述

某品牌輕卡商用車樣車動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)過程中反饋出現(xiàn)車輛正常行駛中車身抖動(dòng)故障（速度： 45-60km/h），發(fā)生率初步統(tǒng)計(jì)約占總數(shù)的10%，低于該速度段或高于該速度段振動(dòng)消失。具體現(xiàn)象：試車員反饋行駛到45-60km/h區(qū)域時(shí)明顯感覺方向盤抖動(dòng)異常，腹部及大腿隨車輛垂直方向抖動(dòng)，感到不適，持續(xù)在該速度段行駛振幅有擴(kuò)大的趨勢(shì)，加速或減速后現(xiàn)象明顯改善。

2、共振問題分析

2.1 共振現(xiàn)象

共振現(xiàn)象是指一個(gè)物理系統(tǒng)在其自然的振動(dòng)頻率下趨于從周圍環(huán)境吸收更多能量的趨勢(shì)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)引起另外一個(gè)與之頻率相近的物體相應(yīng)發(fā)生振動(dòng)，這被視為發(fā)生共振。

整車作為一個(gè)彈性元件的集合體，具備一定的質(zhì)量和彈性阻尼，產(chǎn)生共振是不可避免的，每個(gè)車都有共振點(diǎn)，區(qū)別在于各自的共振點(diǎn)不同，一般要求在常用工作速度下不產(chǎn)生共振視為合格產(chǎn)品，普遍認(rèn)為共振時(shí)車速越高車的質(zhì)量越好。

2.2 影響因素

從整車結(jié)構(gòu)上分析可分為：

a、汽車動(dòng)力系統(tǒng)引起的共振

b、懸掛及車輪系統(tǒng)引起的共振

c、傳動(dòng)系統(tǒng)引起的共振

d、車身振動(dòng)

2.3 共振因素分析排查

2.3.1 汽車動(dòng)力系統(tǒng)引起的共振（下述驗(yàn)證方法僅限于專業(yè)試車道及專業(yè)的調(diào)教員使用，非專業(yè)人員勿模仿嘗試）

A、共振汽車全部是3360軸距2X2驅(qū)動(dòng)輕型載貨汽車，后輪驅(qū)動(dòng)配備康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)、朝柴動(dòng)力、五十鈴動(dòng)力、揚(yáng)柴動(dòng)力在所有樣車中未顯示專屬某型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)；

B、空擋啟動(dòng)怠速狀態(tài)下驗(yàn)證未感覺抖動(dòng)；（怠速狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)幅度比行駛時(shí)略大）行駛到共振點(diǎn)時(shí)掛空擋滑行，仍未見共振消失；（可判定動(dòng)力系統(tǒng)變化對(duì)共振影響較?。?；

C、加速行駛到70km/h后掛空擋，息停發(fā)動(dòng)機(jī)，整車處于無動(dòng)力狀況，自由滑行道至共振區(qū)，未見共振改善；

D、將整車驅(qū)動(dòng)后橋頂起，四輪處于懸空狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，到達(dá)共振速度后測(cè)試未造成共振現(xiàn)象；

綜上所述可排除動(dòng)力系統(tǒng)異常引起的共振問題。常見動(dòng)力系統(tǒng)異常主要為冷啟動(dòng)抖動(dòng)較大、節(jié)氣門或噴油嘴異常抖動(dòng)、油壓不穩(wěn)、懸置系統(tǒng)剛度或約束不良造成的異常抖動(dòng)，在此不再一一介紹。

2.3.2 懸掛及車輪系統(tǒng)引起的共振

A、減震器失效，前鋼板彈簧剛度不一致，樣車零部件均為新件，同時(shí)也嘗試更換了板簧、減震器癥狀未緩解，此因素可排除；

B、前后懸架剛度不匹配造成偏頻接近形成共振；該問題在設(shè)計(jì)初期應(yīng)重點(diǎn)校核，防止前后偏頻接近，可通過更改板簧剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)對(duì)比中二類底盤較欄板型整車發(fā)生共振的概率要大，同時(shí)對(duì)前板簧減少片數(shù)（降低剛度）后產(chǎn)生有效改善，初步認(rèn)定此為解決該問題的原因之一；

C、前輪定位角失準(zhǔn)，前束過大；眾所周知，前束偏大會(huì)造成跑偏及側(cè)滑，引起輪胎異常磨損，同時(shí)也會(huì)感覺方向盤沉重，用戶在不斷調(diào)整方向盤的過程會(huì)造成轉(zhuǎn)向器中速擺振，造成車輛行駛擺動(dòng)產(chǎn)生共振。驗(yàn)證中對(duì)有問題的車輛進(jìn)行重新四輪標(biāo)定排除此問題，前束參考經(jīng)驗(yàn)值：子午胎1-3mm，斜交胎2-4mm。初步認(rèn)定此也是解決該問題的原因之一；

D、前輪胎氣壓過高過低或輪胎由于修補(bǔ)等原因引起動(dòng)不平衡。試驗(yàn)驗(yàn)證將輪胎氣壓按標(biāo)準(zhǔn)值增加20Kpa，有輕微改善作用，同時(shí)對(duì)輪胎動(dòng)平衡、鋼圈動(dòng)平衡總成裝配后實(shí)現(xiàn)100%復(fù)查，動(dòng)平衡超過220g的造成整車跳動(dòng)的概率遠(yuǎn)大于正常合格范圍內(nèi)的輪胎，鋼圈徑向跳動(dòng)大于1.8mm的也會(huì)使整車在行駛過程中產(chǎn)生共振。通過更換輪胎和鋼圈后，該現(xiàn)象明顯改善。初步認(rèn)定此為解決該問題的原因之一。

E、車架扭曲、鉚釘松動(dòng)或前軸變形造；該問題通過對(duì)過程車架的檢測(cè)，且前軸、車架未受到撞擊，變形的可能性較低，該因素排除。

2.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)引起的共振

傳動(dòng)軸彎曲，動(dòng)不平衡；試驗(yàn)中達(dá)到共振速度后進(jìn)行不斷切換檔位及脫檔滑行進(jìn)行驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)改善和加劇現(xiàn)象，但傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)有嚙合間隙好的車比有輕微松動(dòng)的車輛共振振幅要小些，同時(shí)對(duì)選取標(biāo)定過的傳動(dòng)軸進(jìn)行更換，也有助于該問題的改善。初步認(rèn)定此為解決該問題的原因之一。

2.3.4 車身振動(dòng)引起的共振

A、通過試驗(yàn)對(duì)比競(jìng)品車型中使用雙扭桿的車輛較單扭桿車輛行駛穩(wěn)定性要好，此為桿系受力不均勻造成，不再具體闡述，初步認(rèn)定此為解決該問題的原因之一。

B、通過調(diào)整扭力桿扭力，改制翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)增加扭桿強(qiáng)度對(duì)比驗(yàn)證中，橡膠剛度達(dá)到75N/mm左右，車頭擺動(dòng)有改善，同時(shí)對(duì)后支撐的橡膠襯套進(jìn)行預(yù)壓緊增加其連接剛性，也產(chǎn)生了較為明顯的改善。初步認(rèn)定此為解決該問題的原因之一。

3、組合驗(yàn)證及結(jié)論

根據(jù)上述有對(duì)改善有作用的方案進(jìn)行排列組合，尋找到最佳方案，并進(jìn)行測(cè)評(píng)。

表1

整車發(fā)生抖動(dòng)共振產(chǎn)生的因素很多，因根據(jù)具體的情況進(jìn)行區(qū)分、判斷。本課題中通過更改懸架剛度、車身懸置的剛度、控制輪胎的動(dòng)平衡，最終將該問題給予解決。

4、預(yù)防

共振問題應(yīng)在設(shè)計(jì)初期即進(jìn)行模態(tài)分析，避免后期出現(xiàn)大的設(shè)計(jì)改動(dòng)，造成成本浪費(fèi)。

現(xiàn)采用ADAMS軟件建模仿真的方法對(duì)整車的平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)HB11A/HB12A欄板車型，根據(jù)汽車各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，在MSC.ADAMS/CAR 模塊中建立了前后懸架、轉(zhuǎn)向系、車身、輪胎等子系統(tǒng)的仿真模型。按照國標(biāo)GB/T 4970-1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛實(shí)驗(yàn)方法》的要求，在車速60、70、80、100km/h和B級(jí)路面進(jìn)行整車平順性仿真。通過測(cè)量得整車質(zhì)心處的加速度信號(hào)，并通過處理得到相應(yīng)的加速度自功率譜密度值。首先導(dǎo)入整車部件各子系統(tǒng)，選擇進(jìn)行仿真所需要的四柱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，構(gòu)建平順性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。

路面不平整度主要采用路面功率譜密度描述其統(tǒng)計(jì)特性，不同等級(jí)的道路，其路面不平度的頻譜結(jié)構(gòu)大同小異，通常用式（1）來表示路面空間功率譜密度：

式中：n—空間頻率，它是波長的倒數(shù)，m-1；

no—參考空間頻率，no=0.1 m-1

Gq(no)—參考空間頻率no下的路面譜值，稱為路面不平度系數(shù)，m2/ m-1；

W—頻率指數(shù)，為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率。

在ADAMS中使用INVPSD函數(shù)求得時(shí)域內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，其中車速為80km/h的路面激勵(lì)信號(hào)如2所示。

實(shí)驗(yàn)仿真分析

垂向的加速度自功率譜密度函數(shù)，可由ADAMS的后處理模塊中FFT（快速傅立葉變換）得到，如圖6所示。

椅面垂直軸向z的頻率加權(quán)數(shù)w，最敏感頻率范圍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為4～12.5Hz，在 4～8Hz這個(gè)范圍內(nèi)，人的內(nèi)臟產(chǎn)生共振，而8～12.5 Hz頻率范圍的振動(dòng)對(duì)人的脊椎系統(tǒng)影響很大，就是說人體的敏感頻率范圍為 4～12.5Hz。由圖6可以看出：在 2.26 Hz 附近振動(dòng)最為強(qiáng)烈，共振點(diǎn)大約為 2.5 Hz，低于 4Hz，曲線表明系統(tǒng)避開了這個(gè)范圍。

當(dāng)評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體健康的影響時(shí)，同時(shí)考慮x,y,z這三個(gè)軸向，且x、y兩個(gè)水平軸向加權(quán)系數(shù)取k=1.4,比垂直向更敏感，z軸加權(quán)系數(shù)為1。

計(jì)算軸向加權(quán)加速度均方根值

其中：aw(t)為記錄的加速度時(shí)間歷程，T為振動(dòng)分析時(shí)間。

當(dāng)同時(shí)考慮三個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)，三個(gè)軸向的總加權(quán)加速度均方根值按公式3計(jì)算：

計(jì)算軸向加權(quán)加速度均方根值aw，得到各測(cè)量點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)表1的人體主觀感覺，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果見表2。

表2 平順性計(jì)算表

[1] 余志生.汽車?yán)碚?清華大學(xué)主編[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 何渝生.汽車振動(dòng)學(xué)[M].人民交通出版社.

[3] 謝衛(wèi)國.貨車平順性預(yù)測(cè)與優(yōu)化.汽車工程[M].

[4] 張洪欣.汽車行駛平順性的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)[M].

[5] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社.

Study on the Resonance Problem of Commercial Vehicle

Guo Zhiqiang, Tang Qingwei, Cao Deben
( Chery commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000 )

The resonance problem of commercial vehicle has great influence on the life of the vehicle and driver's health. In this paper, the problem of the resonance of a light commercial vehicle brand development process was study. And some Methods and experiences to change the resonance point were put forward by sum up the resonance problem of commercial vehicle in the initial design of the resonance prevention, the problem of the investigation, and reduce the amplitude.

Light truck; resonance; dynamic balance; stiffness; Harshness

U462.1

A

1671-7988(2016)10-43-03

郭志強(qiáng)（1983—）， 男，安徽蚌埠人 學(xué)士，高級(jí)設(shè)計(jì)師，就職于奇瑞商用車（安徽）有限公司，研究方向：汽車平順性及操控穩(wěn)定性。