某重型卡車駕駛室抖動(dòng)問題分析

白云志，郝立峰，李獻(xiàn)飛，謝小平

（1.安徽華菱汽車有限公司，馬鞍山 243061；2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

1 問題簡(jiǎn)述及分析流程

在我國，重型卡車舒適性一直是困擾著企業(yè)和用戶的問題。國內(nèi)某款重型卡車根據(jù)客戶的反饋有部分車輛在行駛過程中出現(xiàn)了駕駛室抖動(dòng)的現(xiàn)象，抖動(dòng)現(xiàn)象主要發(fā)生在良好平穩(wěn)柏油路面車速為40～60 km/h，主要表現(xiàn)為駕駛室出現(xiàn)振幅較大、頻率不高的上下方向振動(dòng)和左右方向的不規(guī)律側(cè)傾擺動(dòng)，駕駛員能明顯的感覺到駕駛室的不規(guī)律抖動(dòng)，在駕駛時(shí)容易感覺疲勞，影響了駕駛過程中的舒服性和行車安全性。用戶對(duì)抖動(dòng)問題反映強(qiáng)烈，解決該問題十分迫切、重要。

國內(nèi)很多企業(yè)和高校對(duì)駕駛室抖動(dòng)問題都進(jìn)行了研究，趙敬義［1］、孫加平［2］等通過建立抖動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)駕駛室抖動(dòng)問題進(jìn)行了診斷和分析，提出調(diào)整駕駛室懸置彈簧剛度和優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)調(diào)整車架振動(dòng)偏頻，使其與駕駛室一階振動(dòng)頻率避開的解決辦法；郭利提出了從調(diào)整駕駛室懸置參數(shù)上改善駕駛室舒適性的方法［3］。

針對(duì)該款車出現(xiàn)的駕駛異常抖動(dòng)問題以及借鑒國內(nèi)外已有的研究成果和分析策略［4，5］，我們按照如下流程進(jìn)行問題診斷及分析：駕駛室抖動(dòng)現(xiàn)象初步研究—振動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)—對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互功率譜和相干性分析—對(duì)車身及駕駛室懸置振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析—提出駕駛室抖動(dòng)問題解決方案。

2 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的是車輛工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，因此采取的是在車輛正常工作時(shí)跟隨車輛進(jìn)行測(cè)量，而沒有采用實(shí)驗(yàn)室模擬工作狀態(tài)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)通過安裝在整車關(guān)鍵位置的加速度傳感器對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。傳感器的分布如表1所示。車輛結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。加速度傳感器采用的是PCB公司生產(chǎn)的333B30系列傳感器，主要測(cè)量方向?yàn)閆方向，即車身上下方向，這也是駕駛室發(fā)生抖動(dòng)的主要方向。數(shù)據(jù)采集卡選用的為美國國家儀器（National Instrument）公司的4472動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，采用NI公司的PXI—1042Q數(shù)據(jù)采集分析主機(jī)，利用Lab VIEW2009軟件進(jìn)行加速度傳感器校準(zhǔn)程序以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集程序的編寫。

根據(jù)用戶的反饋，駕駛室抖動(dòng)主要發(fā)生路面較好的地段，因此實(shí)驗(yàn)中選擇讓車輛運(yùn)行在較高等級(jí)柏油路面。高等級(jí)路面平整，即路面的波長(zhǎng)r較長(zhǎng)。根據(jù) ，此時(shí)整車激振的頻率f較低，這也符合抖動(dòng)車輛人員對(duì)低頻振動(dòng)的感受。車輛在路面上以不同的車速行駛，從20～80 km/h每隔10 km/h進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)采樣，根據(jù)客戶反饋在抖動(dòng)最為明顯的速度范圍內(nèi)如40～60 km/h每隔5 km/h進(jìn)行一次采樣。

3 振動(dòng)信號(hào)分析

振動(dòng)測(cè)試中得到的數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下不是真實(shí)的振動(dòng)信號(hào)，或者說與真實(shí)的振動(dòng)信號(hào)存在一定的差別，因此必須進(jìn)行信號(hào)處理。經(jīng)典的振動(dòng)信號(hào)處理一般可分為振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析和模態(tài)分析幾個(gè)部分，在本實(shí)驗(yàn)中我們主要利用了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻域分析尋找駕駛室抖動(dòng)振源以及對(duì)車輛出現(xiàn)異常抖動(dòng)現(xiàn)象的故障診斷。頻域處理也叫頻譜分析，是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上的時(shí)頻變換，處理得到的結(jié)果是以頻率為變量的函數(shù)，稱為譜函數(shù)。

3.1 互功率譜密度函數(shù)分析

兩個(gè)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)稱為互功率譜密度函數(shù)，是這兩個(gè)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，其表達(dá)式為［6］：

為瞬態(tài)時(shí)間信號(hào) a（t）和 b（t）的互相關(guān)函數(shù)；

為穩(wěn)態(tài)時(shí)間信號(hào) a（t）和 b（t）的互相關(guān)函數(shù)。 同理，由平均周期圖法可以定義為：

式中：Xi（k）和 Yi（k）為兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)的第 i個(gè)數(shù)據(jù)段的傅里葉變換；Yi*（k）為 Yi（k）的共軛復(fù)數(shù)；M 為平均次數(shù)。

我們對(duì)前橋、中橋、后橋以及發(fā)動(dòng)機(jī)位置的振動(dòng)信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)進(jìn)行了互功率譜密度函數(shù)分析［7，8］，圖2為前橋左側(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置左側(cè)振動(dòng)信號(hào)與駕駛員位置振動(dòng)信號(hào)的互功率譜密度曲線圖，通過圖可以看出前橋信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)的互功率譜密度幅值主要位于3～6 Hz頻段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置與駕駛員位置互功率譜密度幅值，同樣對(duì)比中橋、后橋與駕駛員位置信號(hào)的互功率譜密度曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛員位置互功率譜密度曲線可以分析出，駕駛員處振動(dòng)信號(hào)受車橋處信號(hào)影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)處振動(dòng)信號(hào)。

表1 加速度傳感器安裝分布表

3.2 相干函數(shù)分析

相干函數(shù)為互功率譜密度函數(shù)的模的平方除以激勵(lì)和響應(yīng)自譜乘積所得的商，即：

式中：Sxx（k）和 Syy（k）分別為平均周期圖法處理得到的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)的估計(jì)；Sxy（k）為激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)的估計(jì)。

相干函數(shù)是兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)在頻域內(nèi)相關(guān)程度的指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)，為了評(píng)價(jià)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的因果性，即輸出信號(hào)的頻率響應(yīng)中有多少是由輸入信號(hào)的激勵(lì)所引起的，就可以用相干函數(shù)來表示。通常，在振動(dòng)測(cè)試中，計(jì)算出來的相關(guān)函數(shù)的值為0～1之間的正實(shí)數(shù)。工程上通常采用相干函數(shù) Cxy（k）來評(píng)判頻響函數(shù)的好壞，Cxy（k）越接近1，說明噪聲的影響越小，頻響函數(shù)的估計(jì)結(jié)果越好。一般認(rèn)為Cxx（k）≥0.8時(shí)，頻響函數(shù)的估計(jì)結(jié)果比較準(zhǔn)確可靠。

在尋找振源的分析中，我們同樣進(jìn)行了車橋信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)相干函數(shù)對(duì)比分析，圖3為前橋位置信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)相干函數(shù)曲線。駕駛室發(fā)生抖動(dòng)的主要在低頻段（0～10 Hz），從圖中曲線可以分析得出，前橋振動(dòng)信號(hào)與駕駛員位置振動(dòng)信號(hào)在一階振動(dòng)頻率附近相干性明顯比發(fā)動(dòng)機(jī)位置信號(hào)與駕駛員位置信號(hào)相干性要高，由此表明駕駛室的異常抖動(dòng)與前橋的振動(dòng)相關(guān)度要比與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的高，同理對(duì)比分析中橋、后橋與駕駛員位置信號(hào)的相干函數(shù)分析可以得出結(jié)論，駕駛室抖動(dòng)的振源為車橋，其中前橋的影響最大。

3.3 自功率譜密度函數(shù)分析

單個(gè)振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)稱為自功率譜密度函數(shù)，是該振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，其表達(dá)式為［9］：

為瞬態(tài)時(shí)間信號(hào)a（t）的自相關(guān)函數(shù)；

為穩(wěn)態(tài)信號(hào)a（t）的自相關(guān)函數(shù)。

根據(jù)平均周期圖法，自功率譜密度函數(shù)還可以定義為：

式中：Xi（k）為振動(dòng)信號(hào)的第i個(gè)數(shù)據(jù)段的傅里葉變換；Xi*（k）為 Xi（k）的共軛復(fù)數(shù)；M 為平均次數(shù)。

自功率譜密度函數(shù)是實(shí)函數(shù)，是描述振動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，它展現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)各頻率處功率的分布情況，使我們知道哪些頻率的功率是主要的。在車輛異常抖動(dòng)問題診斷過程中我們分別對(duì)車身懸置處、駕駛室懸置處振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了自功率譜密度函數(shù)分析。

3.3.1 車身懸置振動(dòng)信號(hào)自功率譜分析

車身懸置主要包括板簧、減振器，在數(shù)據(jù)分析中對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛前橋左右兩側(cè)、中橋左右兩側(cè)以及經(jīng)過板簧減振器后傳遞到對(duì)應(yīng)的車架位置上的加速度信號(hào)進(jìn)行了自功率譜密度函數(shù)分析。

圖4是實(shí)驗(yàn)車輛前橋左右兩側(cè)振動(dòng)情況的數(shù)據(jù)分析圖。從圖中可以看到前橋左側(cè)和右側(cè)加速度自功率譜密度幅值相差很大。由于實(shí)驗(yàn)一直是在路面情況良好的柏油路上進(jìn)行的，因此可以排除路面導(dǎo)致前橋左右信號(hào)相差很大的影響，故而從這兩組數(shù)據(jù)分析可以估計(jì)出實(shí)驗(yàn)車輛前橋左右兩側(cè)動(dòng)不平衡問題比較嚴(yán)重。

同時(shí)，從圖4還可以看到，前橋左側(cè)的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過板簧減震器系統(tǒng)之后不但沒有被衰減，反而進(jìn)一步被放大了，減振后的振動(dòng)信號(hào)被放大為減振前信號(hào)的3倍左右。而右側(cè)信號(hào)經(jīng)過板簧減振器后實(shí)現(xiàn)了一定的衰減，起到了一定的減振作用。

同時(shí)根據(jù)互功率譜分析可知，前橋左右振動(dòng)不平衡且信號(hào)集中于在3～6 Hz低頻段。而駕駛室懸置固有頻率通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為4.3 Hz，處于這一頻段范圍內(nèi)，容易引起共振，這是導(dǎo)致駕駛室抖動(dòng)的根源。

從圖5中可以看出中橋也存在和前橋同樣的問題，橋上振動(dòng)信號(hào)左右不平衡且信號(hào)經(jīng)過板簧減振器后左側(cè)的被放大右側(cè)的有一定的衰減。后橋離駕駛室位置相距較遠(yuǎn)，且實(shí)驗(yàn)車輛后橋和板簧主要是承受貨物的負(fù)載，對(duì)駕駛室抖動(dòng)問題影響不大，因此我們?cè)诜治鲞^程中忽略了其影響。

3.3.2 駕駛室懸置振動(dòng)信號(hào)自功率譜分析

駕駛室懸置分為前懸和后懸，由螺旋彈簧和阻尼器組成。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過程中，我們對(duì)駕駛室前懸置、后懸置左右兩側(cè)進(jìn)行了獨(dú)立分析，再將分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)振動(dòng)信號(hào)以及駕駛室抖動(dòng)原因進(jìn)行了診斷分析。

從圖6和圖7分析得出，駕駛室前懸、后懸都有一定的減振效果，相比起來后懸減振效果比前懸要好。而且，前懸置左右兩側(cè)減振效果有著明顯的差別，前懸置右側(cè)的減振效果明顯好于左側(cè)，由于減震效果的左右不平衡將造成駕駛室左右兩側(cè)的振動(dòng)加速度出現(xiàn)一定的動(dòng)不平衡，引起駕駛室出現(xiàn)異常的抖動(dòng)。

4 改進(jìn)措施及改進(jìn)結(jié)果驗(yàn)證

綜合上述分析得出的結(jié)果，我們針對(duì)車輛表現(xiàn)出來的兩個(gè)主要問題，車橋和駕駛室前懸置左右動(dòng)不平衡以及駕駛室懸置減振效果不理想，分別提出解決駕駛室抖動(dòng)問題方案如下：

表2 駕駛室懸置阻尼器技術(shù)參數(shù)

為了對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行驗(yàn)證，我們?cè)谔摂M動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/View環(huán)境中建立了振動(dòng)仿真模型。本文主要研究的是駕駛室懸置的減振情況，因此我們將仿真模型建成由駕駛室和四個(gè)懸置組成的簡(jiǎn)單仿真模型，在四個(gè)懸置下端提供振動(dòng)激勵(lì)。模型需要的各項(xiàng)參數(shù)如駕駛室質(zhì)量、質(zhì)心位置、尺寸、懸置安裝位置等，通過實(shí)際測(cè)量以及合作企業(yè)提供獲得。模型建立后，將調(diào)整前和調(diào)整后的駕駛室懸置參數(shù)分別代入到模型中進(jìn)行振動(dòng)仿真，仿真采用由Simulink軟件中白噪聲信號(hào)模擬出的B等級(jí)隨機(jī)路面信號(hào)為振動(dòng)激勵(lì)，獲得參數(shù)調(diào)整前后仿真的振動(dòng)情況。

從圖8～圖10可以看出，參數(shù)調(diào)整后質(zhì)心的振動(dòng)加速度幅值有了明顯的降低，且駕駛室振動(dòng)的頻率由調(diào)整前的集中于3～4.5 Hz下降到了2.2 Hz附近，符合避開敏感頻率3～8 Hz的要求。通過測(cè)算，我們得到駕駛室質(zhì)心位置加速度頻譜分析中均方根值也下降為調(diào)整前的69.9%，駕駛室抖動(dòng)情況有了明顯的改善，由此可以驗(yàn)證本文提供的改進(jìn)措施。

5 結(jié)論

論文基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的出現(xiàn)駕駛室異常抖動(dòng)車輛各位置的加速度信號(hào)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和振動(dòng)信號(hào)分析理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理，通過對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行功率譜分析、頻譜分析、時(shí)域分析、相干性分析等，找到了駕駛室發(fā)生抖動(dòng)的激勵(lì)源以及造成異常抖動(dòng)的主要原因。然后結(jié)合工程實(shí)際情況和數(shù)據(jù)分析結(jié)果提出了解決抖動(dòng)問題的方案，最后通過建立ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

［1］趙敬義，張滿良，姜建中.降低某重型卡車異常振動(dòng)的研究［C］.LMS首屆用戶大會(huì)論文集，2006.

［2］孫加平，張?jiān)钏歹ぃ瑒⒔▼I.某重型卡車駕駛室振動(dòng)測(cè)試與診斷［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（9）.

［3］Aref M.A.Soliman.A Methodology for Laboratory Testing of Truck Cab Suspensions［J］，SAEPaper 2008-01-1148.

［4］Li Pengfei，Ma Li，He Tianming，Deng Chunan，and Wang Jiao.A Simulation Study on Vibration Isolation of Cab Mounts in a Commercial Vehicle［J］，Automotive Engineering，2005，（27）：740-743.

［5］郭利.重型卡車駕駛室舒適性的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（4）.

［6］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程［M］.清華大學(xué)出版社，2008.

［7］維納·K·英格爾，約翰·G·普羅克斯.數(shù)字信號(hào)處理（MATLAB 版）［M］.西安交通大學(xué)出版社，2008.

［8］王濟(jì)，胡饒.MATLAB在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用［M］.水利水電出版社，2006（1）.

［9］沃德·海倫，斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯.模態(tài)分析理論與試驗(yàn)［M］.北京理工大學(xué)出版社，2001.

［10］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例 ［M］.國防工業(yè)出版社，2006.