某載貨汽車平順性提升方法研究

馮高山，許恩永，林長(zhǎng)波，展 新

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，載貨汽車因其運(yùn)輸效率高，運(yùn)輸方式靈活，運(yùn)輸成本低的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于多行各業(yè)。隨著載貨汽車的普及，人們對(duì)載貨汽車的要求越來(lái)越高，在獲得良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還要求具有良好的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和乘坐舒適性。平順性是指保持汽車在行駛過(guò)程中由于路面不平度和發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及車輪等旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響；在一定的界限之內(nèi)，對(duì)于載貨汽車還包括保持運(yùn)載貨物完好的性能。汽車行駛過(guò)程中的振動(dòng)不僅會(huì)降低車輛的使用壽命，增加維護(hù)成本；也會(huì)影響到乘員的身體健康和運(yùn)輸貨物的完整性；還會(huì)影響到車輛的動(dòng)力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，平順性已成為現(xiàn)代運(yùn)載車輛的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來(lái)，高速公路的發(fā)展和交通網(wǎng)絡(luò)的健全使得載貨汽車的需求量逐年增長(zhǎng)。與此同時(shí)，市場(chǎng)需求的變化和物流業(yè)的迅猛發(fā)展也促使載貨汽車在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上發(fā)生了很大的變化。載貨汽車向高品質(zhì)方向發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，客戶對(duì)車輛平順性的高要求，使得平順性日益成為載貨汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的車輛主要性能指標(biāo)之一。目前國(guó)產(chǎn)汽車的舒適性與發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品相比，還存在著一定差距。因此，提高駕駛室平順性，從而提升載重汽車的整車性能，對(duì)增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[1-7]。

本文針對(duì)某型號(hào)載貨汽車平順性指標(biāo)不能滿足客戶需求的問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力總成懸置解耦、駕駛室懸置剛度與阻尼參數(shù)匹配、傳動(dòng)軸振動(dòng)等影響平順性的主要因素進(jìn)行了分析。提出了提高動(dòng)力總成懸置解耦率、合理匹配駕駛室懸置剛度與阻尼參數(shù)、改善傳動(dòng)軸中間支承參數(shù)等提升平順性的措施。最后將上述措施應(yīng)用于上述載貨汽車，有效地提升了該載貨汽車的平順性。

1　某型號(hào)載貨汽車平順性特性

某型號(hào)載貨汽車（如圖1所示），在特定車速下（如時(shí)速為35公里），其平順性指標(biāo)不理想，平順性指標(biāo)高達(dá)1.7 m/s2，舒適性不能滿足客戶需求。該車型動(dòng)力總成的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)如表1所示，動(dòng)力總成懸置剛度如表2所示。

圖1　某型號(hào)載貨汽車

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、慣量、質(zhì)心參數(shù)

表2　優(yōu)化前懸置剛度

2　影響載貨汽車平順性的因素及其提升方法

2.1　平順性的影響因素

經(jīng)測(cè)試與分析，確定影響該車型平順性的主要因素如下：

（1）動(dòng)力總成：主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖激勵(lì)、動(dòng)力總成懸置參數(shù)匹配不合理導(dǎo)致的振動(dòng)耦合等。

（2）駕駛室懸置：主要在于駕駛室懸置系統(tǒng)的剛度阻尼參數(shù)匹配不合理。

（3）傳動(dòng)軸：主要在于傳動(dòng)軸動(dòng)不平衡以及傳動(dòng)軸中間支承結(jié)構(gòu)不合理等引起的振動(dòng)。

2.2　改善駕駛室平順性的方法

根據(jù)以上影響該型號(hào)載貨汽車平順性的主要因素，提出了對(duì)應(yīng)改進(jìn)措施來(lái)提高該車型的平順性，包括：動(dòng)力總成與駕駛室懸置解耦優(yōu)化、駕駛室懸置剛度阻尼參數(shù)合理匹配、傳動(dòng)軸及其中間支承優(yōu)化。這些措施也可以用于其他載貨汽車。

（1）動(dòng)力總成懸置解耦優(yōu)化

動(dòng)力總成是載貨汽車主要的振動(dòng)來(lái)源之一，動(dòng)力總成懸置解耦不合理，會(huì)造成附加的耦合振動(dòng)，降低產(chǎn)品的舒適性。因此，動(dòng)力總成懸置的設(shè)計(jì)方案應(yīng)追求實(shí)現(xiàn)東力總成振動(dòng)模態(tài)解耦的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成懸置在各個(gè)自由度方向上的模態(tài)解耦[8]。能量法解耦作為一種有效的振動(dòng)解耦方法已被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力總成懸置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中?；谀芰糠ń怦钤恚_(kāi)發(fā)了動(dòng)力總成懸置解耦優(yōu)化通用程序。開(kāi)發(fā)的動(dòng)力總成懸置解耦優(yōu)化程序如圖2所示?；谀芰糠ǖ膽抑媒怦钤砼c方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[9][11]，基于篇幅考慮，在此不進(jìn)行詳細(xì)敘述。在懸置解耦優(yōu)化時(shí)，關(guān)鍵是設(shè)定解耦優(yōu)化的約束條件。在進(jìn)行懸置解耦優(yōu)化時(shí)，設(shè)定的主要約束條件如下。

1）在進(jìn)行剛度組合式，懸置各向剛度按相同比例增減。

2）動(dòng)力總成懸置6個(gè)自由度的解耦率不低于70%，Z向，Rx向解耦率不低于85%。

3）動(dòng)力總成6個(gè)自由度的固有頻率兩兩之間的差值不低于0.5 Hz，Z向和Rx向頻率差不低于1 Hz.

圖2　4點(diǎn)懸置懸置解耦優(yōu)化程序運(yùn)行界面

利用開(kāi)發(fā)的懸置解耦優(yōu)化程序，對(duì)該型載貨汽車的動(dòng)力總成進(jìn)行懸置解耦優(yōu)化。這里，主要對(duì)動(dòng)力總成懸置的剛度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后，動(dòng)力總成懸置安裝位置，安裝角度等參數(shù)保持不變。優(yōu)化后的優(yōu)化后懸置剛度如表3所示。優(yōu)化前后的動(dòng)力總成懸置解耦率如表4所示。

表3　優(yōu)化后懸置剛度

表4　優(yōu)化前后解耦率對(duì)比

由表4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，動(dòng)力總成在六個(gè)自由度方向上的解耦率均得到了比較明顯的提高。

（2）駕駛室懸置剛度與阻尼參數(shù)匹配與優(yōu)化

載貨汽車的駕駛室一般通過(guò)彈簧和阻尼器懸置于車架之上。提高車輛的乘坐舒適性要求彈簧的剛度要小，剛度越小在同樣的激勵(lì)下彈簧變形越大，而大的變形又同有限的空間相矛盾。所以在懸置設(shè)計(jì)時(shí)，舒適性和彈簧變形是一對(duì)矛盾關(guān)系，需要合理匹配駕駛室懸置剛度和阻尼參數(shù)，使其具有最佳的減振性能[9，10]。經(jīng)過(guò)研究，建立了經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化前橋—駕駛室度振動(dòng)模型，建立的模型包含駕駛室前懸置和后懸置兩個(gè)垂直方向的自由度及由兩個(gè)懸置形成的旋轉(zhuǎn)自由度的1/2駕駛室動(dòng)力學(xué)模型，利用Matlab建立了振動(dòng)模型的仿真模型，開(kāi)發(fā)了相關(guān)的仿真優(yōu)化程序。利用仿真分析模型與仿真優(yōu)化程序，以駕駛室懸置振動(dòng)傳遞率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)駕駛懸置剛度和阻尼參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，得到了優(yōu)化的駕駛室懸置剛度和阻尼參數(shù)組合。

利用建立的平順性仿真模型與仿真優(yōu)化程序，對(duì)駕駛室懸置的剛度與阻尼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了優(yōu)化的駕駛室懸置剛度與阻尼組合結(jié)果。優(yōu)化前后的駕駛室剛度、阻尼以及駕駛室固有頻率對(duì)比情況如表5所示。

表5　駕駛室阻尼優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

從表5可以看出，經(jīng)過(guò)剛度阻尼優(yōu)化，駕駛室Z向固有頻率從4.5 Hz降低到2.64 Hz，Rx向固有頻率從1.7 Hz降低到了0.98 Hz，兩者均有大幅度的下降，在相同的外界激勵(lì)下，駕駛室的平順性得到了較大幅度提高。

（3）傳動(dòng)軸及其中間支承優(yōu)化

載貨汽車傳動(dòng)軸多采用十字萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，引起傳動(dòng)軸振動(dòng)的來(lái)源很多，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火脈沖頻率、傳動(dòng)軸動(dòng)不平衡及偏心、十字萬(wàn)向節(jié)產(chǎn)生的附加力矩等。

為降低傳動(dòng)軸振動(dòng)，可以采取的措施主要有三個(gè)，一是合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的夾角，二是提高傳動(dòng)軸加工制造以及裝配精度，從源頭上減少傳動(dòng)軸的振動(dòng)；三是合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸中間支承，通過(guò)減振措施來(lái)降低傳動(dòng)軸振動(dòng)向車架的傳遞。一般情況下，傳動(dòng)軸主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的夾角往往由于受到結(jié)構(gòu)尺寸限制難以改變，傳動(dòng)軸動(dòng)不平衡量、加工精度等由于受制造工藝、制造成本等限制難以大幅度提高，設(shè)計(jì)人員更傾向于采取合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸中間支承結(jié)構(gòu)以及合理匹配傳動(dòng)軸中間支承剛度與阻尼參數(shù)來(lái)降低傳動(dòng)軸的振動(dòng)。經(jīng)研究，確定采取以下兩個(gè)措施來(lái)降低該載重汽車傳動(dòng)軸的振動(dòng)。

1）改進(jìn)傳動(dòng)軸中間支承結(jié)構(gòu)，采取的主要措施是增大傳動(dòng)軸中間支承處橡膠套的徑向變形量，另外就是將傳動(dòng)軸中間支承橡膠套設(shè)計(jì)成多層環(huán)槽結(jié)構(gòu)，使其具有變剛度特性。在傳動(dòng)軸小幅振動(dòng)時(shí)，僅克服間隙，具有低剛度；在傳動(dòng)軸振動(dòng)幅度加大時(shí)，作用的橡膠面積隨之增大，具有高剛度，減小傳動(dòng)軸的振動(dòng)幅度。

2）合理匹配傳動(dòng)軸中間支承剛度與阻尼參數(shù)，使其在低頻（大變形）時(shí)具有大阻尼，在高頻（小變形）時(shí)具有小阻尼，使其在不同的頻率段都具有良好的減振性能。

經(jīng)計(jì)算，該載貨汽車傳動(dòng)軸中間支承剛度值如下：小變形時(shí)（變形量在0～4 mm之間），剛度值為269 N/mm，大變形時(shí)（變形量在4～8 mm之間），剛度值為625 N/mm.剛度曲線如圖3所示。

圖3　傳動(dòng)軸中間支承懸置剛度曲線

為控制各個(gè)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)傳遞率，要求低頻段具有大阻尼，高頻段具有小阻尼。因此，要求傳動(dòng)軸中間支承懸置具有變阻尼特性，大變形（對(duì)應(yīng)低頻振動(dòng)）時(shí)具有大阻尼，小變形時(shí)（對(duì)應(yīng)高頻振動(dòng)）具有小阻尼。大變形（高頻）時(shí)，阻尼比不大于0.05，小變形（低頻）時(shí)阻尼比不小于0.2.

3　改進(jìn)前后的平順性結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)以上措施，該載重汽車的平順性得到了較大幅度改善。整改前后該車型各個(gè)時(shí)速段駕駛室的振動(dòng)加速度均方根值如圖4所示。

圖4　優(yōu)化前后駕駛室在各個(gè)時(shí)速的振動(dòng)加速度均方根值

從圖2可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，駕駛室的振動(dòng)加速度均方根值峰值由原來(lái)的1.74減低到0.95，改善效果明顯，駕駛室平順性得到明顯改善，滿足了客戶對(duì)駕駛室舒適性的要求。

4　結(jié)論

本文對(duì)載貨汽車的動(dòng)力總成懸置解耦、駕駛室懸置剛度與阻尼參數(shù)匹配、傳動(dòng)軸振動(dòng)等影響駕駛室平順性的因素進(jìn)行了分析。同時(shí)，提出了提高動(dòng)力總成懸置解耦率、合理匹配駕駛室剛度與阻尼參數(shù)、改善傳動(dòng)軸中間支承參數(shù)等提升駕駛室平順性的措施。這些措施有效地提升了該載貨汽車的平順性，對(duì)其他車型提高駕駛室平順性具有指導(dǎo)和參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐陳夏.汽車平順性仿真分析與懸架參數(shù)優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]E Courteille，L Leotoing，F(xiàn) Mortier，et al.New analytical method to evaluate the powerplant and chassis coupling in the improvement vehicle NVH[J].European Journal of Mechanics A/Solids，2005（24）：929-945.

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]莊良飄.工程設(shè)計(jì)階段汽車平順性分析方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[5]馬天飛，王登峰，梁和平.利用MSC.Adams/Car建立轎車的剛彈耦合模型[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2006（15）：238-240.

[6]田曉峰.拖拉機(jī)駕駛座椅振動(dòng)舒適性研究現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（9）：249-252.

[7]佐安康.重型商用車剛彈耦合系統(tǒng)的平順性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

[8]張守海.某載貨汽車的平順性分析與懸架系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

[9]呂兆平.能量法解耦在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].汽車工程，2008，6（30）：523-526.

[10]鄧本波.汽車振動(dòng)乘坐舒適性的評(píng)價(jià)方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[11]靳國(guó)才，劉夫云，鄧聚才.汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（2）：271-275.