車輛減振技術(shù)研究

陳俊杰，李菲，呂江毅，侯慶紅

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176；2.中國質(zhì)量認(rèn)證中心南京分中心，江蘇 南京 210019）

前言

汽車行駛過程中，汽車會受到各種方面的振動激勵。路面激勵、動力傳動系統(tǒng)、風(fēng)激勵、排氣系統(tǒng)激勵、輪胎振動等都是車輛上的主要振源。駕駛員在車輛內(nèi)部的主觀感受，是駕駛員和乘員對車輛振動的主觀評價。載貨汽車還包含貨物在車輛上不得受損。車輛的減振能力不僅影響車輛的行駛舒適性，還會影響車輛的行駛安全性和操穩(wěn)性。車輛減振能力是保證車輛具備良好的舒適和操縱性能[1]。

汽車平順性是人車路汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究的范疇。其中路面是激勵環(huán)節(jié)，車輛可以簡化為一個多自由度振動系統(tǒng)，人的主觀感受感知的是系統(tǒng)的響應(yīng)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)組成框圖如下。

圖1 “人-車-路”系統(tǒng)組成框圖

研究汽車行駛平順性最重要的兩個方面：1）車輛結(jié)構(gòu)特性的研究；2）乘員對車體振動的主觀感受的研究。第一部分屬于對車的研究，通過優(yōu)化振動能量傳遞路徑，降低車輛在整個車速行駛范圍內(nèi)傳遞到乘員身體的振動能量。第二部分屬于對人的研究，屬于舒適性評價的問題。本文從理論、試驗(yàn)等多方面對車輛的減振方法進(jìn)行研究，為技術(shù)人員提供參考。

1 車輛減振理論研究方法

多自由度振動模型的建立一直是汽車動力學(xué)領(lǐng)域中的重要研究課題，它是解決車輛振動問題非常好的數(shù)學(xué)工具[2]。根據(jù)車輛動力學(xué)仿真的研究目的，應(yīng)該建立合適的數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算機(jī)沒有發(fā)明以前，通常建立二自由度或者三自由度模型，這只能對車身結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)做定性分析。單自由度單輪模型只能反應(yīng)下整車運(yùn)動情況；三自由度單輪模型可以引入懸架參數(shù)和座椅參數(shù)，從而可以分析座椅參數(shù)和懸架參數(shù)對振動響應(yīng)的影響。但對于這種單輪模型，僅僅處在定性分析的層面。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)彈性動力學(xué)理論可以方便的建立車輛多自由度振動模型。模型自由度數(shù)越多，模型求解精度越高。圖2建立了一個四輪八自由度模型：其中前后軸的垂向振動和繞X軸的側(cè)傾角振動共四個自由度；車身質(zhì)量沿Z軸的垂向振動和繞X軸的側(cè)傾角振動和繞Y軸的俯仰角振動，共三個自由度；最后一個自由度是座椅沿 Z軸方向的垂向振動。這個八自由度三維空間動力學(xué)模型，雖然能夠很好的模擬車輛振動狀態(tài)。但是需要建立一個 8×8矩陣描述其數(shù)學(xué)模型，其中所需要的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)測量起來非常困難，計(jì)算過程也非常復(fù)雜，因此仿真起來比較困難[3]。當(dāng)考慮汽車車架變形引起車體變化時，汽車自由度數(shù)還要增加。這樣雖然求解精度增加，同時會使得計(jì)算更為復(fù)雜。

圖2 車輛四輪八自由度仿真模型

2 車輛振動試驗(yàn)研究方法

2.1 時域分析法

振動時域分析方法是車輛振動分析領(lǐng)域的簡易方法。時域波形比較直觀、形象，可以簡單、快捷的提取波形相關(guān)信息，分析振動的典型特性，從而定性的判斷振動的量級、振動規(guī)律等信息。為了更精確提取振動波形，首先要對振動信號的時域數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。

振動測試時的信號數(shù)據(jù)，由于受到溫度、儀器干擾，實(shí)測的數(shù)據(jù)值常常會偏離基線。偏離基線的數(shù)據(jù)常量稱為趨勢向。趨勢項(xiàng)的大小對后端數(shù)據(jù)處理影響很大，在數(shù)據(jù)處理之前應(yīng)該把它去掉。常用的消除趨勢項(xiàng)的方法是多項(xiàng)式最小二乘法。對消除趨勢項(xiàng)后的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行降噪處理，經(jīng)過消除趨勢項(xiàng)、降噪后的數(shù)據(jù)才更逼近真實(shí)數(shù)據(jù)。Matlab中提供了Detrend函數(shù)去除直流分量和線性趨勢向。消除線性趨勢項(xiàng)時需要指出兩個線性部分共有的的壞點(diǎn)[4]。

數(shù)字濾波技術(shù)是去除振動信號噪聲最常用的方法，其中無限長沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器是最常用的濾波器，因?yàn)樗哂型◣?nèi)最平坦的幅度特性。Matlab中提供了buttord、butter函數(shù)設(shè)計(jì)Butterworth 濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)。其中buttord函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器階數(shù)和截止頻率。Butter函數(shù)使用設(shè)計(jì)的階數(shù)和截止頻率設(shè)計(jì)濾波器。圖 3是階數(shù)為 44，截止頻率為 200Hz的巴特沃斯濾波器的頻響函數(shù)。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理對比曲線

處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包含的時域信息更為精確。在時域分析中，采用的參數(shù)有最大值、最小值、均值、均方根值、方差、脈沖因子等數(shù)據(jù)。每個參數(shù)代表的信息不一樣。均值用來評價信號是否穩(wěn)定。表征振動信號的中心波動，代表信號中的直流分量。均方根值是對信號的平方和再平均取開方，反應(yīng)信號的能量大小[5]。脈沖因子反應(yīng)振動脈沖的頻率。

2.2 頻域分析法

頻譜分析法是車輛減振試驗(yàn)研究基本方法。在振源識別、減振降噪技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。我們常用的方法有幅值譜分析法、功率譜分析、傳遞函數(shù)分析、相干分析法，這些方法對我們研究振動特性非常有效。下面我們重點(diǎn)介紹幅值分析法與功率譜密度分析法在減振領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

2.2.1 幅值譜分析法

由傅里葉理論可知，一個周期信號經(jīng)過FFT變換后，可以得到的幅值譜是一個離散的信號。非周期信號經(jīng)過FFT變換后，信號會連續(xù)的分布在一定的頻率范圍之內(nèi)。幅值譜分析可以方便的把信號由時域下的分布變換到頻域下的分布。幅值譜可以代表諧波頻率時域信號的有效值，是時域信號各諧波的幅值隨頻率的一種線性分布。圖4顯示，經(jīng)過對駕駛員座椅處的振動信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn) 30Hz處的振動能量較大，說明在這一振動頻率的振動分量對整個信號的影響最大[6]。

圖4 FFT幅值分析法

2.2.2 功率譜分析法

圖5 前部懸置與發(fā)動機(jī)座椅處的互功率譜密度曲線

功率譜分析是研究隨機(jī)信號頻率分析非常重要的方法。其中自功率譜表示單位頻帶內(nèi)信號功率隨頻率的變化情況，也就是說它反映了信號功率在頻域的分布狀況。功率譜線覆蓋的總面積數(shù)值上等于信號的總功率?；スβ首V可以描述頻域內(nèi)兩個信號X（t）和Y(t)在頻域內(nèi)的相互關(guān)聯(lián)程度。圖5所示為被試車輛怠速 600rpm工況下，車架懸置處與車廂后排座椅地板處振動響應(yīng)的互功率譜曲線。從圖示可以看出，發(fā)動機(jī)前懸架右邊相比左邊和座椅處的振動量相關(guān)性要大。由于右部前懸置沒有對發(fā)動機(jī)的質(zhì)量扭矩進(jìn)行有效地衰減，造成了振動能量通過車架傳遞到了車廂地板[7]。

3 總結(jié)

在車減振問題分析中，是一個非常系統(tǒng)的問題。為了解決一個問題，我們往往既要進(jìn)行仿真分析，也要進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出一種合理的解決方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們往往可以借助Matlab、Adams、ANSYS分析軟件方便地進(jìn)行建模分析，得到精確結(jié)果。借助時域、頻域分析法，找到振動源以及引起振動的主要原因，從而進(jìn)行改進(jìn)。本文從理論、仿真、試驗(yàn)三方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，提出了一些最常用的振動分析方法，為工程人員提供參考。