某商用車駕駛室振動問題的改進研究

楊年炯,耿仁強,廖奇峰,陳 果

(1.廣西科技大學 汽車與交通學院,廣西 柳州545006;2.廣西科技大學 廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室,廣西 柳州545006)

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某商用車駕駛室振動問題的改進研究

楊年炯1,2,耿仁強1,廖奇峰1,陳 果1

(1.廣西科技大學 汽車與交通學院,廣西 柳州545006;2.廣西科技大學 廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室,廣西 柳州545006)

針對某商用車駕駛室振動過大的問題,使用LMS振動測試系統進行測試.通過振動傳遞路徑分析(TPA),發現板簧固有頻率與激勵源頻率重疊是引起駕駛室振動過大的主要原因.通過減小板簧剛度從而降低板簧固有頻率,改進后再次進行實車測試.數據分析表明,振動加速度顯著減小,提高了乘坐舒適性,駕駛室振動過大問題得到解決,證明減小板簧剛度對降低駕駛室振動的有效性.

商用車; 駕駛室; 振動; 鋼板彈簧

汽車平順性是保持汽車在行駛過程中乘員所處的振動環境具有一定舒適程度和保持貨物完好的性能[1].對于商用車而言,主要體現在駕駛室的乘坐舒適性.由于商用車行駛路況較為復雜,一般行駛時間較長,駕駛員易于疲勞,進而影響到駕駛安全性,因此,近年來對商用車駕駛舒適性問題十分關注.

對商用車駕駛室振動問題,以往的研究大多集中在懸置的優化上.王成文等[2]運用頻譜分析法對駕駛室懸置進行綜合分析,找出駕駛室懸置隔振效果差,與動力總成的激勵頻率發生共振是駕駛室振動的原因,并提出了改進方案.劉永紅等[3]通過振動測試和模態試驗分析相結合的方法,分析出柱塞泵一階頻率與車架模態頻率共振是產生駕駛室振動的原因,進而對柱塞泵進行調整后,解決了駕駛室振動的問題.申秀敏等[4]通過測量駕駛室振動加速度信號,對數據進行時域分析和頻域分析,找出駕駛室制動振動的原因,并進行改進,改進后制動振動現象得到明顯改善.

本文針對某商用車駕駛室振動過大的問題,使用LMS(Leuven Measurement System)振動測試系統對駕駛室進行多種車速下的摸底測試,查看問題車駕駛室的振動情況,對駕駛室座椅導軌振動信號進行頻譜分析,獲取引起駕駛室振動的主要頻率,通過傳遞路徑分析(Transfer Path Analysis,TPA),查找引起共振的激勵源.通過試驗與分析,發現板簧在某頻率下不但沒有起到隔振效果,反而將振動放大.基于對懸架剛度、阻尼合理匹配的考慮,減小問題車板簧的剛度,再使用LMS振動測試系統對駕駛室在各個車速下進行平順性測試,數據分析顯示,振動加速度峰值明顯降低,乘坐舒適性主觀感受良好,整車平順性可以接受.

1 工況試驗及分析

1.1 實車測試

根據售后反饋,該商用車在某些路面某些車速下行駛時,駕駛室存在振動過大的問題,影響到乘坐舒適性,用戶體驗較差.為此,使用LMS振動測試系統對問題車進行摸底測試,試驗在瀝青(B級)路面上進行,試驗質量為滿載(50 t),試驗車速為30～100 km/h之間的多個車速,車速間隔為5 km/h.測點分別布置在板簧、車架、駕駛室懸置、座椅導軌、座椅支承面等處,如圖1所示.依據測試數據,結合傳遞路徑分析方法(TPA),查找導致平順性差的原因.就該問題車而言,駕駛室振動的激勵源主要有路面激勵和發動機激勵.駕駛室振動過大,是車輛在低頻區的異常振動現象,而發動機激勵屬于高頻激勵,本文僅探討路面激勵對駕駛室振動的影響.

1.2 座椅支承面振動分析

為了探究駕駛室振動的原因,將采集到的試驗數據進行分析.駕駛室座椅坐墊直接與人體接觸,座椅支承面的振動情況是考察乘坐舒適性的一個重要測點.在座椅支承面上用坐墊傳感器測試,將采集所得的數據以及加權加速度均方根值一起繪在圖上,如圖2所示.從圖中可以看出,Z向的加速度值比X向和Y向要大,特別是車速為55～70 km/h,90～100 km/h時更是如此,表明在垂直方向上從路面傳到駕駛室振動比較大,路面激勵在Z向產生的振動經過板簧和駕駛室懸置的路徑中沒有得到充分的衰減.

圖2 駕駛室座椅支承面加速度

1.3 駕駛室座椅導軌頻譜分析

頻譜分析是將測試信號進行傅里葉變換,將時域信號轉換為頻域信號并加以分析.頻響函數反映系統的傳遞特性,是研究結構動態特性的重要工具,也是模態分析和參數識別的基礎[5-6].

對駕駛室座椅導軌各個車速下的振動信號進行頻譜分析,由實測數據可以看出,駕駛室振動加速度較大的是垂向振動,對各個車速下的垂向振動進行頻譜分析,以車速為55 km/h和60 km/h的駕駛室座椅導軌頻譜圖為例(見圖3和圖4).

圖3 55 km/h時駕駛室座椅導軌頻譜圖

由圖3可知,車速為55 km/h時,駕駛室座椅導軌Z方向在頻率為2.5 Hz處出現了加速度峰值,值為0.37 m/s2.說明在2.5 Hz時幅值有放大現象.

圖4所示,車速為60 km/h時,駕駛室座椅導軌Z方向加速度峰值同樣出現在2.5 Hz處,從路面激勵傳遞到駕駛室的過程中,板簧和駕駛室懸置沒有起到隔振應有的效果,需要對整個傳遞路徑進行分析,找出導致駕駛室共振的根源.

圖4 60 km/h時駕駛室座椅導軌頻譜圖

1.4 傳遞路徑分析

由以上分析得知,駕駛室座椅導軌在頻率2.5 Hz處在垂向有較大峰值,需對整個傳遞路徑進行頻譜分析.同樣以55 km/h和60 km/h車速進行整個傳遞路徑上各部件進行頻譜分析,以確定振動放大的環節.圖5為板簧及駕駛室懸置在車速分別為55 km/h和60 km/h時的頻譜圖.

圖5 不同車速下板簧和駕駛室懸置頻譜圖

當車速為55 km/h時,如圖5(a)和圖5(b)所示,頻率2.5 Hz處,板簧主動端的峰值為0.11 m/s2,板簧被動端的峰值為0.23 m/s2,駕駛室懸置主動端為0.39 m/s2,駕駛室被動端為0.58 m/s2.可見在整個傳遞過程中,板簧和駕駛室懸置不僅沒有起到減震的效果,反而存在放大現象.

當車速為60 km/h時,如圖5(c)和圖5(d)所示,出現了類似的情形.同樣在頻率2.5 Hz處出現了峰值.板簧主動端峰值為0.12 m/s2,板簧被動端峰值為0.22 m/s2,駕駛室懸置主動端為0.43 m/s2,駕駛室被動端為0.66 m/s2.板簧和駕駛室懸置同樣存在著振動加速度放大的現象.

實車摸底排查時,還分別測了30～100 km/h車速下,板簧上下端、駕駛室懸置上下端、駕駛室座椅導軌等處的振動加速度,發現各車速下,均在頻率為2.5 Hz處出現了峰值,從振動傳遞路徑上來看,2.5 Hz正是該問題車板簧的固有頻率,判斷為板簧的固有頻率與激勵源中的主要激勵頻率接近,因而產生了共振,導致從路面經過板簧傳到駕駛室的過程中能量被放大,故認為板簧剛度太大影響其減振效果,需要對板簧進行優化來降低其剛度,從而減小駕駛室的振動.

2 板簧改進及其對駕駛室振動的影響

根據上述分析,鋼板彈簧的固有頻率與激勵頻率接近,通過降低板簧剛度來降低固有頻率,從而避免共振,達到降低駕駛室振動的效果.降低板簧剛度之后,板簧的固有頻率由2.5 Hz降到2.04 Hz,板簧固有頻率避開了激勵頻率.

試制出改進后板簧試樣件,裝配到問題車上,進行與原車相同條件下的試驗,然后對改進后試驗采集的駕駛室座椅導軌振動信號進行頻譜分析,如圖6所示.

由圖6(a)可知,車速為55 km/h時,對改進前、后座椅導軌數據進行對比,在頻率2.5 Hz處,幅值由0.37 m/s2降低到0.19 m/s2,降幅比為48.6%,振動加速度明顯減小.由圖6(b),在60 km/h車速下,在頻率2.5 Hz處,幅值由0.41降低到0.23,降幅比為43.9%,同樣可以得出在頻率2.5 Hz處振動加速度顯著減小的結論.試驗還測試了30～100 km/h下座椅導軌的振動情況(車速間隔為5 km/h),其他車速下的試驗數據如表1所示(部分車速).由表1可知,改變板簧固有頻率后,各車速下,駕駛室座椅導軌振動加速度均有較大幅度下降,因此,對板簧進行改進,能有效降低了該車駕駛室的振動.

圖6 板簧改進前、后不同車速下座椅導軌頻譜圖

表1 改進前、后座椅導軌振動加速度對比

3 結論

針對某商用車駕駛室振動過大的問題,使用LMS振動測試系統進行測試,找出引起駕駛室振動過大的原因.改進板簧后再次實車試驗,分析改進前、后測試數據可知改進板簧的有效性,振動加速度顯著下降,乘坐舒適性得到提高,研究得到以下結論:

(1) 運用LMS振動測試系統以及相應分析軟件,對振動進行測試以及對測得數據進行頻譜分析,可以有效測出振動傳遞路徑上各環節的振動情況,并查出導致駕駛室振動過大的原因.

(2) 鋼板彈簧固有頻率與激勵源頻率重疊導致發生共振,極易使駕駛室振動過大,影響乘坐舒適性.通過減小板簧剛度降低其固有頻率,使板簧固有頻率避開激勵源頻率從而避免共振,其振動特性得到很大改善,駕駛室振動加速度明顯減小,整車平順性得到提升.

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Study on the improvement of vibration of a commercial vehicle cab

YANG Nianjiong1,2,GENG Renqiang1,LIAO Qifeng1,CHEN Guo1

(1.School of Automobile and Transportation,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, Guangxi,China;2.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,Guangxi,China)

In order to solve the problem of excessive vibration of commercial vehicle cab,LMS vibration test system was used to test.Through the method of vibration transmission path analysis(TPA),it was found that the natural frequency of the leaf spring overlapped with the natural frequency of excitation source was the main reason causing cab vibration.By reducing the stiffness of the leaf spring to reduce the natural frequency of the leaf spring,the real car test is carried out again after the improvement.The test data analysis shows that the vibration acceleration is reduced significantly,the ride comfort is improved,and the problem of excessive vibration of the cab is solved.It proved that reducing the stiffness of the leaf spring is effective to reduce the cab vibration.

commercial vehicle; cab; vibration; leaf spring

國家自然科學基金資助項目(11502056);廣西高校科研基金重點資助項目(201202ZD070);廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室自主研究課題(14-A-03-01);廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室開放課題(2015KFYB01,2013KFZD02);2017年廣西科技大學自然科學培育計劃項目(NO:50)

楊年炯(1977—),男,副教授.E-mail:nj_yang@163.com

U 463.212

A

1672-5581(2017)02-0178-04