某商用車高速工況駕駛室異常振動控制研究

許德江，胡志強，韓磊，高安波

（北汽福田汽車股份有限公司奧鈴技術中心，山東 諸城 262200）

某商用車高速工況駕駛室異常振動控制研究

許德江，胡志強，韓磊，高安波

（北汽福田汽車股份有限公司奧鈴技術中心，山東 諸城 262200）

文章針對某商用車在高速工況時駕駛室出現異常振動問題進行研究。進行了整車道路試驗、偏頻試驗和駕駛室模態試驗，試驗結果表明，異常振動原因為輪胎滾動頻率、非簧載質量偏頻和駕駛室一階扭轉模態發生耦合。根據駕駛室扭轉剛度與扭轉模態之間的關系，對駕駛室關鍵鈑金件進行了加強，以提高其扭轉模態。根據加強方案對駕駛室進行了改進，并進行了道路試驗驗證，結果表明，加強方案明顯降低了問題車速下駕駛室振動峰值，異常振動消失，改進效果明顯。

商用車；駕駛室；振動；模態

引言

商用車高速工況的 NVH性能主要受輪胎、懸架、傳動及車身系統影響。作為載運工具，商用車需要長時間行駛在高速公路上，并保持 90km/h左右的車速，因此高速狀態的振動噪聲更加明顯的影響駕乘舒適性，惡劣的車內 NVH環境易引起駕駛員的急躁與疲勞，提高交通事故發生率，長時間的影響易造成駕駛員身心健康問題[1][2]。

本文所研究樣車在高速工況下駕駛室出現異常振動，車內噪聲明顯提高。作者通過輪胎系統激勵分析、懸架系統偏頻分析和駕駛室系統彈性固有頻率分析，運用振動測試與分析手段，對異常振動現象進行了分析與診斷[3]。

1 駕駛室異常振動測試與分析

在樣車駕駛員座椅導軌處布置加速度傳感器，如圖1所示。試驗在某汽車試驗場性能道路進行，試驗工況為超速檔（5檔）緩踩油門踏板，使車速從45km/h緩慢升至100km/h。

采集座椅導軌處加速度信號并基于發動機轉速進行階次跟蹤，如圖2所示。可以看出該測點處0.26階次振動幅值比較明顯。已知樣車變速器5檔速比為0.87，主減速比為4.42，則車輪相對于發動機曲軸速比為3.85，車輪旋轉的階次為速比的倒數，即0.26階為車輪旋轉階次，因此可由圖2推斷樣車駕駛室振動主要來源于輪胎激勵。

圖1 加速度傳感器布置位置

為研究輪胎激勵引起的振動隨發動機轉速變化情況，對0.26階進行切片分析，如圖3所示，發動機3110r/min轉速下，階次振動達到峰值，根據輪胎速比及輪胎滾動半徑（307.8mm）可以計算獲得該轉速下車速為 94km/h，與樣車反映振動異常問題車速對應。說明輪胎激勵與異常振動現象密切相關，是該問題的激勵源。

圖2 座椅導軌處振動加速度階次跟蹤

圖3 座椅導軌處振動加速度輪胎階次切片

根據輪胎階次可以計算，問題轉速時輪胎激勵頻率約為13.5Hz。該頻率可能與樣車非簧載質量偏頻及駕駛室固有頻率相近。為此，進行了偏頻測試，如圖4所示。根據振動周期計算獲得偏頻約為13.8Hz。可見輪胎滾動階次激勵頻率與非簧載質量偏頻發生了耦合。

圖4 簧下質量偏頻測試數據

僅僅輪胎滾動頻率與非簧載質量偏頻的耦合可能不足以激起劇烈的駕駛室振動，且解決此類問題需變換輪胎滾動半徑，這對于已經成型的整車匹配來說難以接受。因此為進一步尋找異常振動原因，對駕駛室系統的固有頻率特性進行了試驗和分析。

2 駕駛室模態與扭轉剛度測試與分析

低頻率下的固有特性一般為整體模態，因此進行了駕駛室系統整體模態試驗，根據駕駛室結構特征，確定了24個拾振點。試驗采用自由懸掛方法進行，激勵源為兩個對向布置的激振器[4][5]，如圖 5所示。最終測得的第一階整體扭轉模態頻率為14.3Hz，振型如圖6所示。

圖5 MODAL 110激振器

圖6 整體一階扭轉模態振型

駕駛室第一階扭轉模態頻率與問題車速下輪胎滾動頻率及非簧載質量偏頻十分接近，因此可以確定問題車速下異常振動原因為輪胎滾動激勵，非簧載偏頻與駕駛室一階扭轉共振耦合。

該問題解決思路為提高駕駛室一階扭轉固有頻率。而扭轉固有頻率和駕駛室的扭轉剛度密切相關，提高扭轉剛度即可明確有效提高扭轉固有頻率。

圖7 駕駛室扭轉剛度計算加載示意圖

對駕駛室扭轉剛度進行了分析和計算。如圖7所示，約束了車身前中點Z向移動自由度、車身后左懸置點XZ向移動自由度，以及后右懸置點XYZ向移動自由度。在車身前懸置處施加兩反方向力載荷，大小為1000N。扭轉剛度計算如式1所示。

其中F-施加載荷； D-加載點間側向（Y向）距離； θ-加載點扭轉角度。

圖8 駕駛室扭轉加載后位移

測量后發現駕駛室扭轉剛度為 5634N·m/ °，欲提高其一階扭轉模態，需提高扭轉剛度，根據駕駛室結構，對A柱、地板與頂棚橫梁等零件進行了增加鈑金厚度的改進，如表1所示。

表1 駕駛室部分零件改進

對部分鈑金件進行改進后重新計算了駕駛室扭轉剛度，改進前后對比如表2所示，可以看出，扭轉剛度提高比較明顯。

表2 轉向系統模態頻率對比

3 試驗驗證

對改進方案進行了整車振動測試以驗證效果，試驗時的場地、氣溫、路面條件等外部條件，和整車載荷、駕駛員、輪胎、傳感器位置等內部條件均與本文前部分診斷試驗相同。

采集并對比分析了駕駛員座椅導軌處的振動加速度幅值，如圖9所示，可以看出，問題車速下（發動機轉速3110r/min）座椅導軌處振動峰值明顯下降，振動幅值基本隨車速平滑上升，主觀感覺問題車速下駕駛室異常振動消失，改進效果良好。

圖9 座椅導軌處振動加速度幅值

4 結論

針對某商用車駕駛室異常振動問題，本文進行了整車道路試驗，采集并提取了駕駛員座椅導軌處的振動加速度。數據分析表明，問題車速下異常振動峰值與輪胎關系密切，系由輪胎滾動激勵引起。為進一步分析原因，進行了偏頻試驗與駕駛室模態試驗。道路及模態試驗表明，駕駛室異常振動原因為輪胎—非簧載質量偏頻—駕駛室一階扭轉固有頻率耦合。

根據扭轉剛度與扭轉模態之間的密切關系，提高了駕駛室扭轉剛度，并進行了整車道路試驗，試驗結果表明，問題車速下振動峰值明顯降低，異常振動消失，主觀評價良好，改進效果比較明顯，表明本文所用分析方法的正確性。本文的研究思路與方法能夠為相似的工程問題提供參考。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動-理論與應用［M］,北京:北京理工大學出版社,2006.

[2] Yunhe Yu, Nagi G.. Naganathan, Rao V.Dukkipati. A Literature Rev-iew of Automotive Vehicle Engine Mounting System[J]. Mechanis-m and Machine Theory, 2001,36（1）:123-142.

[3] Koners G. Panel Noise Contribution Analysis: An Experimental Meth-od for Determining the Noise Contributions of Panels to an Interior Noise[C] // SAE:2003-01-1410.

[4] 靳曉雄,張立軍,江浩. 汽車振動分析[M].上海:同濟大學出版社,2002.

[5] Bhaskar Avutapalli, Satya Vallurupalli and Hamid Keshtkar. Stocha-stic Analysis of a Body-on-Frame Vehicle to Achieve Reliable and Robust Shake Performance[C] // SAE paper,:2003-01-0873.

Structure Optimization of Commercial Vehicle’s Cab for Vibration Reduction

Xu Dejiang, Hu Zhiqiang, Han Lei, Gao Anbo
( Ollin R＆D center, Foton, Shandong Zhucheng 262200 )

This paper studied for reducing the abnormal vibration of a commercial vehicle’s cab at high speed. The vehicle road test, bias test and cab modal test were done for analyzing the cause of the abnormal vibration. The data of test indicated that the frequency of tire rolling, the non- sprung mass natural frequency and the cab’s first-order reverse mode were coupled.According to the relationship between the torsion stiffness and the first mode of the cab, some key sheet metal parts of the cab were reinforced for improving its fist torsion mode. The road test was done for verification. The result indicated that the peak vibration of the cab under the speed reduced significantly. The improvement effect is obvious.

commercial vehicle; Cab; vibration; mode

U463.4

A

1671-7988 (2017)21-178-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.061

CLC NO.: U463.4

A

1671-7988 (2017)21-178-03

許德江，就職于北汽福田汽車股份有限公司奧鈴技術中心。