重型卡車駕駛室振動(dòng)問題研究綜述

顧亞升，王汝佳，易愛迪

（江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

在國(guó)內(nèi)重型卡車迅猛發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)車輛駕駛室內(nèi)的NVH 性能也愈加關(guān)注。之前，不管是重卡車企還是車主都更注重重卡的實(shí)際收益，除了重型卡車本身的安全性能，主要關(guān)注車輛的載重性能以及其運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)。然而，由于重型卡車主要用于長(zhǎng)途運(yùn)輸，在運(yùn)輸過程中，駕駛時(shí)間長(zhǎng)以及噪聲、振動(dòng)帶來的惡劣駕駛環(huán)境容易導(dǎo)致駕駛員易疲勞，存在安全隱患。特別是國(guó)內(nèi)很多車企生產(chǎn)的車輛，在道路上行駛時(shí)常會(huì)出現(xiàn)駕駛室異常振動(dòng)或低頻抖動(dòng)的問題，嚴(yán)重影響駕駛員的駕車體驗(yàn)。本文針對(duì)重型卡車在路面行駛時(shí)遇到的振動(dòng)問題，綜述相關(guān)的研究成果并給出減振措施，對(duì)車輛在試驗(yàn)階段的減振測(cè)試給出有針對(duì)性的方法建議。

1 重型卡車駕駛室振動(dòng)問題的來源

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷可以知道，卡車駕駛室振動(dòng)問題的大致來源為發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的激勵(lì)、行駛時(shí)路面的激勵(lì)、變速箱的振動(dòng)傳遞和卡車輪胎的自身因素。

國(guó)內(nèi)已有人對(duì)重型卡車駕駛室的振動(dòng)來源進(jìn)行了詳盡的計(jì)算分析，文獻(xiàn)[1]中，孫宗璽對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和排除，找到引起重型卡車駕駛室振動(dòng)的主要原因，得到計(jì)算公式=×/60，其中為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，為缸數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)為高頻振動(dòng)，而人體對(duì)10 Hz 以下的低頻振動(dòng)感受才明顯，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)駕駛室振動(dòng)影響不大；當(dāng)卡車的時(shí)速達(dá)到50 km/h 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1 300 轉(zhuǎn)，此時(shí)的變速比基本為1，變速箱引起的振動(dòng)頻率為21 Hz 左右，也屬于高頻振動(dòng)，與駕駛室的振動(dòng)無關(guān)；而通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輪胎和路面引起的振動(dòng)容易被人體感應(yīng)，對(duì)駕駛室的振動(dòng)有影響，理論上來看是造成駕駛室抖動(dòng)的根本原因。

由于重型卡車整體是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，通常情況下裝配的輪胎性能不夠均勻，會(huì)產(chǎn)生較大的激勵(lì)。此外，由于重型卡車的懸架系統(tǒng)、車架的彈性模態(tài)以及車身懸置的模態(tài)等多個(gè)模態(tài)頻率都在0～10 Hz 的低頻區(qū)間，極易受車輪的激勵(lì)所激發(fā)，導(dǎo)致卡車行駛時(shí)駕駛室低頻抖動(dòng)。

2 重型卡車駕駛室振動(dòng)研究現(xiàn)狀

重型卡車的乘坐舒適性是評(píng)價(jià)卡車性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，卡車在路面上行駛會(huì)受到多方面的振動(dòng)影響，駕駛室的振動(dòng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此研究重型卡車駕駛室的振型和固有頻率對(duì)重型卡車舒適性意義重大。通常常人們會(huì)調(diào)整駕駛室的固有頻率以錯(cuò)開行駛時(shí)卡車的振動(dòng)頻率，從衰減駕駛室的振動(dòng)的角度來改進(jìn)卡車的乘坐舒適性。由文獻(xiàn)[2]知，通常獲得駕駛室結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率以及振型有2 種方法，一種是利用樣車的白車身模態(tài)分析獲得所需要的振頻和振型；另一種是通過建模仿真，分析計(jì)算出駕駛室的各階振動(dòng)頻率和振型。由文獻(xiàn)[3-6]知，理論分析時(shí)，可利用相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算和分析，這種方法對(duì)樣車的依賴性較小，沒有試驗(yàn)環(huán)境或條件的情況下可以用此方法，但理論計(jì)算所得出的數(shù)值與實(shí)車試驗(yàn)的數(shù)值存在偏差，因此理論計(jì)算方法在車輛的研發(fā)和生產(chǎn)方面有較廣泛的運(yùn)用，對(duì)解決車輛的工程問題作用不大。盡管對(duì)實(shí)車進(jìn)行道路測(cè)試來獲取固有頻率需要投入大量的時(shí)間和精力，但能夠更切實(shí)地體現(xiàn)實(shí)車的問題，故而在解決工程問題時(shí)工程試驗(yàn)的可靠性更高。

駕駛室懸置對(duì)卡車駕駛室的振動(dòng)起著重要作用，主要靠其結(jié)構(gòu)以及元件的力學(xué)特性減振。文獻(xiàn)[7]中，WⅠLLⅠAM 在2000 年曾對(duì)空氣彈簧和減振器布點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，調(diào)低駕駛室懸置系統(tǒng)的固有頻率，優(yōu)化減振器阻尼，達(dá)到減振目的。文獻(xiàn)[8]中，2001 年ALEXANDER 研究試驗(yàn)了空氣彈簧，對(duì)半浮式的懸置系統(tǒng)與全浮式的懸置系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得出全浮式駕駛室懸置系統(tǒng)的振動(dòng)性能好的結(jié)論，抵抗沖擊載荷與安全性能都很好。文獻(xiàn)[9-10]中，2002 年，WARD 對(duì)不同的駕駛室懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較，研究駕駛室俯仰和側(cè)傾的振動(dòng)特性，得出4 點(diǎn)式駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振效果最佳的結(jié)論。文獻(xiàn)[11]中，2007 年，PARAS利用ADAMS 軟件對(duì)重型卡車進(jìn)行了整車建模，優(yōu)化了卡車的平順性，并且發(fā)現(xiàn)重型卡車的后懸架系統(tǒng)對(duì)車輛平順性影響不大，通過調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的剛度和阻尼，達(dá)到提高車輛平順性目的。文獻(xiàn)[12-13]中，2010 年ALAOR 等采用DOE 方法，分析了駕駛室懸置系統(tǒng)和前懸架系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)乘坐舒適性的影響，并重新匹配了駕駛室懸置系統(tǒng)的參數(shù)，達(dá)到減小駕駛室內(nèi)振動(dòng)的目的，提高了駕駛室的乘坐舒適性。

國(guó)內(nèi)對(duì)于重型卡車的乘坐舒適性以及駕駛室抖動(dòng)等問題，大多數(shù)企業(yè)一般通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)整駕駛室懸置的剛度和阻尼來解決問題，缺乏一套系統(tǒng)而完善的解決方案。

3 重型卡車駕駛室抖動(dòng)來源分析

3.1 車架對(duì)駕駛室抖動(dòng)的影響

重型卡車的車架是承載卡車載荷的重要部件，車架的模態(tài)會(huì)隨著卡車的載貨量的增加而降低，如果車輪的激勵(lì)和車架的固有頻率重合則會(huì)造成共振，從而使整車劇烈振動(dòng)。

國(guó)內(nèi)在車架對(duì)卡車行駛時(shí)的抖動(dòng)影響方面有不少研究。文獻(xiàn)[14]中，劉大維等以在水平路面上以時(shí)速60 km/h 行駛的某自卸車為研究對(duì)象，對(duì)其橫向抖動(dòng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，找出自卸車異常抖動(dòng)的原因，車輪不平衡引起的激勵(lì)與車架的一階、二階固有頻率產(chǎn)生共振，導(dǎo)致車輛橫向異常抖動(dòng)。文獻(xiàn)[15]中，東風(fēng)的時(shí)磊通過常規(guī)的振動(dòng)試驗(yàn)以及整車的模態(tài)試驗(yàn)對(duì)某卡車在57 km/h 行駛時(shí)出現(xiàn)的的駕駛室低頻抖動(dòng)問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)車架整體的一階彎曲是導(dǎo)致卡車駕駛時(shí)出現(xiàn)低頻抖動(dòng)的原因。論文提出利用增加車架和車廂副梁間的連接剛度來增大整車的彎曲剛度，從而提高卡車行駛時(shí)的乘坐舒適性，但鑒于成本高并未采用。改換方案，調(diào)低前橋鋼板彈簧剛度，增大1 倍阻尼比后，效果甚微。之后通過改半浮式駕駛室懸置為全浮式后，減少了1.5 m/s的振動(dòng)幅值。文獻(xiàn)[16]中，傅春宏等以車速40 km/h 行駛的某中型卡車為研究對(duì)象，利用有限元分析與道路試驗(yàn)結(jié)合的方法研究行駛時(shí)駕駛室異常抖動(dòng)的問題，得出車輪產(chǎn)生的搖振頻率3.17 Hz 與整車的固有頻率3.01 Hz 共振是引發(fā)卡車駕駛室異常抖動(dòng)的原因。上述研究中，按照車速40 km/h 計(jì)算的車輪搖振頻率如表1 所示。相關(guān)整車模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表1 車輪搖振頻率[16]

表2 整車固有頻率[16]

文獻(xiàn)[17]中，胡溧等對(duì)某款駕駛室異常抖動(dòng)的商用車進(jìn)行研究，通過道路測(cè)試收集車輛信號(hào)，綜合分析處理過的數(shù)據(jù)，找到導(dǎo)致駕駛室異常振動(dòng)的較大振動(dòng)路徑。發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速接近45 km/h 時(shí)，車輪的激振頻率和駕駛室的一階頻率相近，引發(fā)共振且駕駛室懸置的隔振效果欠佳。針對(duì)此問題，采用ADAMS 動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行建模仿真，優(yōu)化駕駛室懸置的參數(shù)，同時(shí)提出改善方案，解決問題。文獻(xiàn)[18]中，由于在車架彎曲振動(dòng)方面欠缺改進(jìn)措施，一般通過增大車架前段縱梁剛度或貨箱副梁的彎曲剛度，以及兩者間的連接剛度。在車架上固定安裝車廂會(huì)增大整車的彎曲剛度與模態(tài)頻率。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在車架和車廂副梁間用橡膠墊隔離時(shí)能夠降低車架和副梁連接的整體剛度，從而達(dá)到削弱整車抖動(dòng)的效果。

在車輛開發(fā)后期，通過大幅度改進(jìn)車架剛度來消除振動(dòng)的目的不現(xiàn)實(shí)，改進(jìn)駕駛室懸置的剛度對(duì)減振有一定的效果，由于車架存在共振，問題很難被徹底消除。當(dāng)車架發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，車架前端的振動(dòng)會(huì)比較大，一般駕駛室的前懸在車架最前端，故駕駛室前懸對(duì)車架的振動(dòng)傳遞有很大影響。鑒于車架承載著動(dòng)力總成、懸架、駕駛室等各種附件，因此這些部件在車架上，會(huì)對(duì)車架的模態(tài)產(chǎn)生影響。與僅分析車架的模態(tài)去預(yù)測(cè)車架是否會(huì)發(fā)生共振相比，建立整車模型對(duì)車架的彎曲或扭振進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的效果更好。

3.2 懸架對(duì)駕駛室抖動(dòng)的影響

卡車的懸架大都選用鋼板彈簧式懸架，由于國(guó)內(nèi)外情況有差異，國(guó)內(nèi)的板簧式懸架普遍要考慮超載因素，整車偏頻較高。比如文獻(xiàn)[20]中某重型卡車后懸架的振頻達(dá)到了4.5 Hz，一旦車輪的激勵(lì)頻率靠近懸架的偏頻時(shí)會(huì)造成整車抖動(dòng)。當(dāng)前懸架發(fā)生共振時(shí)，駕駛員通常的感覺是垂直跳動(dòng)；當(dāng)后懸架發(fā)生共振時(shí)，對(duì)于短軸距的載貨汽車，振動(dòng)極容易傳遞到駕駛室，這時(shí)駕駛員會(huì)感到一定程度的俯仰振動(dòng)。國(guó)內(nèi)的趙敬義等對(duì)在車速為55 km/h 時(shí)發(fā)生垂向異常抖動(dòng)的某重型卡車展開研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題時(shí)的頻率為4.5 Hz，激勵(lì)源是輪胎的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，車架的振動(dòng)譜振存在2.8 Hz 和4.5 Hz 這2 個(gè)固有頻率，振譜為4.5 Hz 懸架的后偏頻。文獻(xiàn)[19]中，對(duì)整車振動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，很少對(duì)后懸架進(jìn)行改動(dòng)，選擇對(duì)車橋的裝配以及輪轂等加以限制，適當(dāng)增大前懸架剛度，調(diào)整減震器的阻尼，對(duì)駕駛室懸置進(jìn)行優(yōu)化，減振效果明顯。文獻(xiàn)[20]中，王杰等以在平直路面上勻速行駛的某輕型商用車為研究對(duì)象，車速為38 km/h 和60 km/h 時(shí)，出現(xiàn)有規(guī)律性的上下和前后振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。當(dāng)車速為38 km/h 時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)主要由簧上偏頻共振引起的振動(dòng)，通過調(diào)整剛度和阻尼，控制輪胎動(dòng)平衡等，實(shí)現(xiàn)減振目的。文獻(xiàn)[21]中，楊年炯等針對(duì)以車速55～60 km/h 行駛時(shí)的某商用車駕駛室振動(dòng)問題，利用傳遞路徑分析方法發(fā)現(xiàn)剛板彈簧的固有頻率和激勵(lì)頻率接近是主要原因。通過調(diào)低后板簧的剛度使其固有頻率降低了0.5 Hz，問題得到解決。

3.3 駕駛室懸置系統(tǒng)對(duì)駕駛室抖動(dòng)的影響

駕駛室和駕駛室懸置系統(tǒng)有六階剛體模態(tài)，大多情況下，其垂直、俯仰等模態(tài)都低于10 Hz，若懸置系統(tǒng)的頻率配置不合理，容易造成駕駛室抖動(dòng)。通常由于卡車駕駛室自身的剛度較高，其彈性體模態(tài)要遠(yuǎn)高于車輪的一階激勵(lì)頻率，難以被激發(fā)，兩者不會(huì)產(chǎn)生共振。近些年國(guó)內(nèi)也有不少研究人員展開駕駛室懸置對(duì)卡車行駛抖動(dòng)影響的研究。文獻(xiàn)[22]中，郭福祥等對(duì)車速為62 km/h 的某輕卡行駛時(shí)駕駛室存在的6.8 Hz的振動(dòng)問題進(jìn)行研究，優(yōu)化了駕駛室橡膠懸置系統(tǒng)的固有頻率與解耦特性。經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，將駕駛室的振動(dòng)加速度幅值減少近1/3。文獻(xiàn)[23]中，白云志等針對(duì)國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的重型卡車中存在部分車輛在行駛時(shí)出現(xiàn)駕駛室異常抖動(dòng)的問題展開研究，通過對(duì)問題車輛進(jìn)行試驗(yàn)，采集整車振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)駕駛室抖動(dòng)的原因展開分析，通過分析振動(dòng)信號(hào)的互功率譜密度和相關(guān)性函數(shù)，發(fā)現(xiàn)駕駛室抖動(dòng)的原因是車橋不平衡和駕駛室懸置的減振不到位。通過調(diào)整前后駕駛室懸置剛度與阻尼，并利用ADAMS 仿真建模驗(yàn)證改進(jìn)方案，降低振動(dòng)幅值69.9%。懸置參數(shù)優(yōu)化前后駕駛室質(zhì)心振動(dòng)加速度的頻譜圖如圖1、圖2 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，駕駛室質(zhì)心的振動(dòng)加速度的幅值明顯降低，并且振動(dòng)頻率的集中區(qū)間從3～4 Hz 下降到 2.3 Hz 附近。

圖1 懸置參數(shù)優(yōu)化前駕駛室質(zhì)心振動(dòng)加速度的頻譜圖[23]

圖2 懸置參數(shù)優(yōu)化后駕駛室質(zhì)心振動(dòng)加速度的頻譜圖[23]

改進(jìn)由于車身系統(tǒng)匹配引發(fā)的卡車行駛抖動(dòng)問題的措施主要是調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的垂向、俯仰等模態(tài)頻率。駕駛室懸置系統(tǒng)采用全浮式懸置結(jié)構(gòu)，其頻率通常比較低，文獻(xiàn)[24]中全浮駕駛室的垂直頻率僅為1.4 Hz，俯仰頻率為1.6 Hz，故全浮式駕駛室的懸置系統(tǒng)在水平路面上很難與車輪激勵(lì)共振。

4 重型卡車駕駛室振動(dòng)問題的優(yōu)化

4.1 輪胎的檢查與維護(hù)

通過研究發(fā)現(xiàn)，車輪以及輪胎總成的端調(diào)動(dòng)、徑跳動(dòng)和裝配精度誤差大是造成卡車低頻抖動(dòng)的重要因素，因此需要加強(qiáng)對(duì)卡車輪胎的檢查與維護(hù)。需要經(jīng)常檢查胎壓，階段性地檢查輪胎與輪轂的磨損情況，若情況欠佳應(yīng)及時(shí)更換相關(guān)輪胎；此外，也需經(jīng)常測(cè)試與修正車輪的動(dòng)平衡，及時(shí)養(yǎng)護(hù)輪胎及車輪，降低其對(duì)駕駛室振動(dòng)的影響。

4.2 匹配合適的懸置系統(tǒng)參數(shù)

影響重型卡車駕駛室振動(dòng)的因素很多，除了車輪及輪胎外，還有車架、懸架及駕駛室懸置等，但是對(duì)于已經(jīng)研發(fā)和設(shè)計(jì)好的新車，從對(duì)新車進(jìn)行摸底到符合標(biāo)準(zhǔn)而驗(yàn)收的測(cè)試與優(yōu)化過程中，優(yōu)化車架和懸架等既成結(jié)構(gòu)的方案很難被接受，對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行剛度和阻尼調(diào)整，并且通過試驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整過懸置系統(tǒng)剛度和阻尼的車輛的振動(dòng)情況明顯優(yōu)于未進(jìn)行調(diào)整前的振動(dòng)狀況。

4.3 解決工程實(shí)際問題的建議

一輛新車從研發(fā)設(shè)計(jì)開始，到制造出來后，再到基本完善可以投入市場(chǎng)的過程中，還要經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試與優(yōu)化，待達(dá)到期望的對(duì)標(biāo)車的水平層次后，方可量產(chǎn)并正式投入市場(chǎng)。其中，研發(fā)和設(shè)計(jì)過程中基本上已經(jīng)把重型卡車的整車架構(gòu)完備，對(duì)于制造出實(shí)車后的測(cè)試與優(yōu)化過程，一般不會(huì)再對(duì)大的機(jī)構(gòu)，如車架、懸架以及駕駛室等進(jìn)行修整。對(duì)于駕駛室振動(dòng)問題的解決，一般通過調(diào)整懸置系統(tǒng)的彈簧剛度和阻尼器阻尼，或是更換車胎、車輪或是一些簡(jiǎn)單易拆卸的構(gòu)件進(jìn)行調(diào)試減振。在做工程項(xiàng)目時(shí)，大多通過道路測(cè)試采集信號(hào)，然后分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)，找到問題所在，最后按照經(jīng)驗(yàn)調(diào)試不同組合的剛度和阻尼并進(jìn)行測(cè)試比較，找出減振效果最佳的一組彈簧剛度與阻尼器阻尼參數(shù)作為解決方案。

通過對(duì)解決重卡駕駛室振動(dòng)的方法的研究，基于工程實(shí)際問題擬提出一種解決駕駛室振動(dòng)問題的方案：利用傳遞路徑分析方法，對(duì)實(shí)車進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試，對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，找出對(duì)駕駛室振動(dòng)影響較大的點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)影響重型卡車駕駛室振動(dòng)的較大振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行懸置參數(shù)的調(diào)整，利用ADAMS 建立駕駛室及其懸置系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分組對(duì)比擇優(yōu)，然后進(jìn)行試車測(cè)試驗(yàn)證。此方案對(duì)于工程項(xiàng)目具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以減少測(cè)試工程，縮短試驗(yàn)周期。

5 結(jié)語

對(duì)于國(guó)內(nèi)部分重型卡車在行駛時(shí)出現(xiàn)駕駛室振動(dòng)或抖動(dòng)的現(xiàn)象，本文闡述了駕駛室振動(dòng)的來源，結(jié)合國(guó)內(nèi)近些年的相關(guān)研究成果，主要從車架、懸架以及駕駛室懸置系統(tǒng)3 個(gè)方面綜述對(duì)駕駛室振動(dòng)影響的成果，并給出一些優(yōu)化駕駛室振動(dòng)的措施，提出將傳遞路徑方法與解決駕駛室振動(dòng)的常用方法相結(jié)合，針對(duì)性地對(duì)影響重型卡車駕駛室振動(dòng)的較大振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，更好地縮減測(cè)試駕駛室有振動(dòng)問題的工程，達(dá)到減振目的。