水平路面行駛卡車駕駛室抖動問題綜述

趙濤

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

主題詞：載貨汽車 行駛抖動 車架模態(tài) 駕駛室懸置系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)

1 前言

卡車的低頻行駛抖動是指車輛在平滑路面上行駛時乘員所感受到的乘坐擾動。卡車的振動在平滑路面上比粗糙路面更傾向于展示振動周期性，且乘員在粗糙路面上本來就期望車輛振動[1]，因此平滑路面上的行駛抖動更容易引起客戶抱怨。近年來隨著道路條件的極大改善和用戶對商用車NVH特性要求的不斷提高，商用車在平直良好的路面上的異常抖動成為商用車面臨的重要問題。根據(jù)近年來的文獻(xiàn)表述，抖動主要表現(xiàn)形式為特定行駛速度下有規(guī)律的駕駛室垂直跳動、前后俯仰振動或橫向抖動。當(dāng)這些振動發(fā)生在用戶常用車速范圍內(nèi)，引起用戶的感覺極為不適，使用戶對卡車的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面印象，而且會使易損貨物產(chǎn)生損壞，從而引發(fā)用戶退車。

由于卡車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，普遍裝配的輪胎均勻性較差，存在較大的激勵。這些激勵會通過板簧懸架、車架及駕駛室懸置傳遞到駕駛室地板和座椅，使駕乘人員感受到振動。同時卡車板簧懸架系統(tǒng)、車身懸置系統(tǒng)的模態(tài)及車架的彈性體模態(tài)等多個模態(tài)頻率都處于0～10 Hz的低頻范圍，很容易被車輪激勵激發(fā)，引起整車低頻異常抖動。

2 卡車低頻行駛抖動的激勵源

卡車的激勵源是多方面的，例如發(fā)動機(jī)的激勵、傳動系統(tǒng)激勵、車輪激勵及路面不平度引起的隨機(jī)激勵等。傳動軸、發(fā)動機(jī)的激勵頻率通常為車輪總成的激勵頻率的數(shù)倍以上。引起卡車低頻抖動的問題通常為車輪總成的激勵，文獻(xiàn)[2]通過控制車輪總成的動平衡和徑跳解決了重型牽引車車速70 km/h行駛時，振動頻率5.5 Hz抖動問題。文獻(xiàn)[3-7]研究表明車輪總成的激勵是引起整車低頻抖動的激勵源。車輪總成的激勵主要有車輪總成的不平衡、車輪總成由制造誤差引起的徑向跳動和端面跳動、輪轂制動鼓不平衡以及車輪安裝在輪轂上的定位精度低，這些都會隨車輪的轉(zhuǎn)動對整車產(chǎn)生激勵。

3 懸架系統(tǒng)對卡車行駛抖動的影響

卡車懸架系統(tǒng)大都采用鋼板彈簧懸架，板簧懸架的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。但由于國內(nèi)板簧懸架需要考慮超載等因素，普遍增加懸架的剛度，導(dǎo)致整車偏頻較高，文獻(xiàn)[3]中某重型卡車的后懸架振動頻率達(dá)到了4.5 Hz。當(dāng)車輪的激勵頻率與懸架偏頻重合時引起整車抖動。當(dāng)前懸架共振時通常駕駛員感覺是垂直跳動。當(dāng)后懸架共振時，在短軸距的載貨汽車上，振動極容易傳遞到駕駛室，駕駛員通常會感覺到一定程度的俯仰振動。

對于該問題，國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究工作。趙敬義等針對某重型卡車在車速55 km/h行駛時垂向異常抖動問題，通過測試發(fā)現(xiàn)該問題的頻率為4.5 Hz，激勵源為輪胎的旋轉(zhuǎn)激勵，車架的振動譜振存在兩個分別為2.8 Hz和4.5 Hz的固有頻率，4.5 Hz為懸架的后偏頻。由于后懸架不能改動，通過對中后橋的加工、裝配精度和輪轂、制動鼓及輪胎總成的動不平衡量進(jìn)行了限制，前懸架剛度增大15%，增大前減振器阻尼1倍，駕駛室懸置剛度降低50%，問題改善到可以接受的程度[3]。牛恩拂針對載貨車在車速40～50 km/h行駛時駕駛室強(qiáng)烈振動的問題，建立了整車有限元模型，確定了車輪不平衡是主要原因，通過正交試驗(yàn)的方法對前后懸架的剛度和阻尼參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)匹配[4]。楊年炯對某商用車在車速55～60 km/h行駛時的駕駛室振動問題，通過TPA分析發(fā)現(xiàn)板簧固有頻率與激勵頻率重合是主要原因。通過降低后板簧剛度使其由2.5 Hz降低到2.0 Hz，問題得到解決[5]。王杰等對某輕型商用車勻速行駛在平直路面上時，車速38 km/h和60 km/h時出現(xiàn)的規(guī)律性的上下和前后振動進(jìn)行了試驗(yàn)探討。車速38 km/h時的振動主要是簧上偏頻共振引起，通過改善減振器，改變板簧剛度，控制輪胎動平衡等，問題得到解決[6]。左丙發(fā)等對某中型6×2貨車在平直路面上駕駛室出現(xiàn)的有規(guī)律的上下抖動現(xiàn)象進(jìn)行測試和分析，證明車輛異常抖動的主要影響因素是車輪及輪胎總成的軸向、徑向尺寸跳動量，動不平衡量，以及駕駛室懸置的方式和鋼板彈簧的剛度。通過優(yōu)化車輪總成參數(shù)、改變駕駛室懸置安裝方式，降低一橋和二橋鋼板彈簧的剛度來改變車輛各零部件固有頻率的重疊，從而達(dá)到降低車輛抖動的效果[7]。

對于懸架系統(tǒng)共振引起的卡車抖動問題的改進(jìn)措施主要是降低板簧懸架的剛度、調(diào)整減振器的阻尼、降低車輪總成的激勵。通常當(dāng)懸架系統(tǒng)的偏頻小于2 Hz時，車輪在低速下的激勵較小，難以激起懸架系統(tǒng)的共振。

4 車架對卡車行駛抖動的影響

卡車車架集成了懸架、動力總成、駕駛室、貨箱及各種動力附件等，是承載卡車載荷的最重要部件。文獻(xiàn)[8]針對重型牽引車進(jìn)行了研究，結(jié)果表明車架剛度對整車行駛平順性有較大影響。文獻(xiàn)[1]研究表明，車架在整車約束狀態(tài)下的一階頻率通常不超過10 Hz。文獻(xiàn)[9]中某輕車的車架一、二階扭轉(zhuǎn)和垂向、橫向一階彎曲均在10 Hz以下。車架的模態(tài)隨貨車的載貨量增加而降低，當(dāng)車輪激勵與車架的固有頻率重合時會引起整車振動。通常激發(fā)整車抖動的車架模態(tài)為車架的一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

國內(nèi)文獻(xiàn)針對車架對卡車行駛抖動的影響也多有研究。張瑞先針對某輕卡在55～60 km/h車速行駛時，駕駛室出現(xiàn)較明顯上下抖動問題進(jìn)行整車CAE分析和實(shí)車驗(yàn)證，得到結(jié)論為：加強(qiáng)駕駛室結(jié)構(gòu)、提高駕駛室懸置剛度，故障車的振動有明顯改善，但問題并未消除；改變前后簧的剛度（前簧降低16%，后簧降低36%），車輛振動無改善；更換端跳和徑跳符合要求的輪胎總成后，車輛抖動問題消除，更換端跳大的輪輞（端跳值為2.2 mm）后車輛出現(xiàn)橫擺，更換更大徑跳（徑跳值為2.3 mm）的輪輞后車輛出現(xiàn)縱擺[10]。劉大維等對某自卸車在60 km/h時行駛產(chǎn)生的橫向抖動進(jìn)行了測試，找出了該自卸車產(chǎn)生異常抖動原因?yàn)檐囕啿黄胶庖鹆塑嚰艿?階、2階固有頻率，與車架產(chǎn)生共振，使車輛產(chǎn)生異常橫向抖動[11]。傅春宏等對某中型卡車車速在40 km/h時產(chǎn)生的駕駛室異常振動，通過有限元分析和道路試驗(yàn)相結(jié)合，得出車輪產(chǎn)生的搖振頻率與整車的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率相近產(chǎn)生了共振[12]。東風(fēng)商用車技術(shù)中心時磊針對某卡車在車速57 km/h出現(xiàn)的低頻5.4 Hz的駕駛室異常振動的問題，進(jìn)行了常規(guī)振動試驗(yàn)和整車模態(tài)試驗(yàn)，得出該問題為車架整體一階彎曲引起。論文指出通過增加車架與車廂副梁的連接剛度來提高整車的彎曲剛度，能夠使乘坐舒適性提高，由于成本增加較大未采用。通過降低兩個前橋鋼板彈簧剛度，增大阻尼比100%，改進(jìn)效果不明顯。將駕駛室懸置由半浮式改為全浮式后，振動加速度幅值由1.8m/s2降低為0.3m/s2，達(dá)到主觀可以接受的程度[13]。張謀武等針對某載貨汽車車速50 km/h時出現(xiàn)的駕駛室異常振動問題，建立了有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析。結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引起駕駛室異常振動的原因是車輪的轉(zhuǎn)頻5.57 Hz與整車一階彎曲模態(tài)頻率5.49 Hz接近從而發(fā)生共振。通過對車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)修改，在車架前段增加2 mm厚襯梁，使得振動幅值降低90%[14]。胡溧等對某商用車車速45 km/h時發(fā)生的駕駛室異常抖動問題，通過偏頻試驗(yàn)、道路平順性試驗(yàn)、駕駛室懸置的隔振率測試，結(jié)合頻譜分析和相干分析及有限元分析，得出車輪的激振頻率與駕駛室的固有頻率和車架的一階模態(tài)節(jié)接近，導(dǎo)致共振。通過改進(jìn)激勵源，消除該異常振動現(xiàn)象[15]。

通常由于車架彎曲振動的改進(jìn)措施不多，對現(xiàn)有車輛的改進(jìn)通常為增大車架前段縱梁的剛度或貨箱副梁的彎曲剛度，以及車架與貨箱副梁的連接剛度。通常貨箱與車架之間連接方式對車架的模態(tài)有影響。車架上固定安裝的車廂會提高整車的彎曲剛度和模態(tài)頻率[16]。車架前端沒有貨箱縱梁加強(qiáng)，貨箱副梁前端車架縱梁處在彎曲振動中形成節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)表明車架與車廂副梁之間用橡膠墊隔離時會降低車架與副梁連接在一起的整體剛度，降低整車抖動車速。車輛在開發(fā)后期遇到車架共振引起的行駛抖動問題時，普遍沒有低成本的解決方案。在大規(guī)模生產(chǎn)中提出車輪激勵的較高控制標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有加工水平下，往往導(dǎo)致一定的廢品率，增加成本。通過大幅度改進(jìn)車架剛度來消除振動往往不現(xiàn)實(shí)，通過改進(jìn)懸架剛度效果不明顯，改進(jìn)駕駛室懸置剛度對減小該類抖動有一定程度的降低，由于車架存在共振，問題很難徹底消除。車架發(fā)生彎曲振動時，車架的前端的振動相對較大，通常駕駛室前懸置布置在車架最前端，因此駕駛室前懸置對車架振動的傳遞有重要影響。如果駕駛室前懸置是橡膠懸置，受到橡膠懸置的結(jié)構(gòu)限制普遍沒有好的解決方案。前懸置可以采用螺簧懸置或液壓懸置等結(jié)構(gòu)通過減小剛度和增大阻尼的方法來在一定程度上解決。由于車架承載著駕駛室、動力總成、懸架、貨箱及各種附件，這些部件集成在車架上，對車架的模態(tài)有重要影響。只分析車架本身的模態(tài)不能精確預(yù)測車架是否會發(fā)生共振，需要建立整車模型對車架的彎曲或扭轉(zhuǎn)振動做分析預(yù)測。

5 駕駛室懸置系統(tǒng)對整車抖動的影響

駕駛室及其懸置系統(tǒng)存在六階剛體模態(tài)，通常垂直、俯仰等模態(tài)都處于10 Hz以下，當(dāng)懸置系統(tǒng)頻率配置不合理時，容易引起車輛抖動。由于卡車駕駛室本身需要通過前部打擊、頂壓等碰撞法規(guī)，普遍剛度較高，本身的彈性體模態(tài)遠(yuǎn)高于車輪的一階激勵頻率，不會被激發(fā)出來。國內(nèi)文獻(xiàn)針對駕駛室懸置對卡車行駛抖動的影響也多有研究。白云志等對某重型卡車在良好路面上車速為40～60 km/h行駛時駕駛室出現(xiàn)的上下方向和左右方向的振動問題進(jìn)行了振動測試和分析，通過振動信號的互功率譜密度分析和相關(guān)性函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，駕駛室抖動的問題原因?yàn)檐嚇虻牟黄胶夂婉{駛室懸置的減振效果不理想。通過降低前后駕駛室懸置剛度和阻尼，利用ADAMS動力學(xué)模型驗(yàn)證，振動幅值降低69.9%[17]。宣海軍對某型重卡行駛車速在67 km/h時整車上下抖動明顯問題進(jìn)行了分析改進(jìn)，利用FTA故障樹分析方法，分析得到問題的原因?yàn)檐囕啿黄胶庖鸬恼駝宇l率與駕駛室剛體模態(tài)頻率重合。通過對輪輞徑跳、輪輞端跳，車輪動平衡的改進(jìn)，最終主觀評價無明顯抖動，問題解決[18]。盛云等對中型貨車在35～40 km/h車速出現(xiàn)的駕駛室異常共振問題，通過測試和分析發(fā)現(xiàn)駕駛室后左懸置對車橋傳遞至駕駛室的低頻振動起到極大的放大作用，是駕駛室內(nèi)產(chǎn)生異常共振的主要原因，更換懸置后振動消除[19]。郭福祥等針對某輕卡車速在62 km/h左右行駛時駕駛室存在的6.8 Hz的振動問題進(jìn)行分析，對駕駛室橡膠懸置系統(tǒng)的固有頻率和解耦特性進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)車試驗(yàn)測試，優(yōu)化后駕駛室振動加速度幅值被削減了32%，振動改善明顯[20]。唐良兵等對某商用車車速在65 km/h左右出現(xiàn)的駕駛室異常振動現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究表明車輪產(chǎn)生的激勵頻率與駕駛室的固有頻率相接近導(dǎo)致共振。通過優(yōu)化懸置參數(shù)解決問題[21]。

對于車身系統(tǒng)匹配引起的卡車行駛抖動問題的改進(jìn)措施主要是調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的垂向、俯仰等模態(tài)頻率。對于橡膠懸置系統(tǒng)，需要合理的配置懸置系統(tǒng)的頻率，提高懸置的隔振率。采用全浮式螺簧懸置或氣囊懸置結(jié)構(gòu)的駕駛室懸置系統(tǒng)，其頻率通常處于較低的頻率范圍，文獻(xiàn)[22]中全浮駕駛室的垂直頻率只有1.4 Hz，俯仰頻率為1.6 Hz。因此該類駕駛室懸置系統(tǒng)在水平路面上很難被車輪總成一階激勵激發(fā)出來。

6 結(jié)論

本文對載貨汽車行駛抖動問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的闡述。降低或消除行駛抖動問題的措施主要有：降低車輪總成的一階激勵；改變懸架系統(tǒng)剛度，優(yōu)化車架在整車約束狀態(tài)下的彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率，避開車輪的激勵頻率；優(yōu)化駕駛室懸置軟墊剛度，通過隔振措施來降低振動感受。

引起低頻車輛抖動的根本原因是車輪及輪胎總成的徑向跳動、端跳以及總成裝配精度超差引起的異常振動。加強(qiáng)車輪及輪胎總成的質(zhì)量控制是必要因素，懸架、車架、駕駛室優(yōu)化很重要，需要同步考慮。