某輕型載貨汽車駕駛室異常共振的試驗研究

朱永智1 燕武舉2 鄭超旗2

1.河南森源重工有限公司 河南許昌 461500 2.森源汽車股份有限公司 河南許昌 461500

1 前言

隨著消費者對商用車的駕駛及乘坐舒適性要求提高，商用車的研發定位也在不斷提高。為了保證載貨汽車裝載的貨物完好，提高乘坐舒適程度，就需要改善輕型載貨汽車的NVH（Noise,Vibration和Harshness，噪聲、振動和聲振粗糙度）性能。

汽車的行駛平順性是指汽車在一定的速度范圍內行駛時，能夠保證駕駛員與乘客不會因汽車在行駛過程中所產生的振動和沖擊，而引起不舒服、疲勞的感覺，以及保持運送貨物完整無損的性能。來自汽車自身的振動，會直接影響汽車的運輸速度，降低運輸效率，其次，隨著振動而產生的動載荷，也會在一定程度上加速對汽車零部件的磨損，甚至降低整車的使用壽命。王成文等對某商用卡車進行了平順性道路試驗[1]，找出振動的原因是駕駛室懸置的隔振效果差，與動力總成的激勵頻率產生共振，影響了駕駛的舒適性。

本文主要針對某輕型載貨汽車底盤在空載狀態下以60～70 km/h的車速勻速行駛時，其駕駛室產生的異常共振現象進行試驗測試，從振動相互傳遞的角度分析原因。

2 試驗工況

試驗車輛是某品牌輕型載貨汽車底盤，整備質量為2 750 kg，駕駛室為單排座椅，前后懸掛均配備有減震器，動力系統采用某型四缸柴油發動機。

汽車振動噪聲針對不同的噪聲振動源有不同的頻率范圍[2]。在良好路面上，汽車振動噪聲與發動機的轉速有直接關系，同時汽車行駛速度也會對整車振動產生影響。根據樣車共振的現象，初步判斷振動來源為3個方面：駕駛室懸置、后橋及傳動軸。

針對問題進行綜合分析，測試條件選擇如下：

a. 測試場地：平直的水泥路面（標準路面），無接縫、凹凸不平或類似的路面，路面干燥無雜物，周邊無較大的振動源;

b. 環境條件：環境溫度在10℃～15℃;

c. 風速不大于5 m/s;

d. 測試過程中，車輛的輔助裝置如雨刮器等未開啟工作，車輛的車窗保持關閉狀態。

3 測點布置和信號處理

3.1 測點位置的布置

測點位置的布置對整體的試驗結果影響很大，所以針對此異常共振現象，經過仔細對比歷史車型結構，結合本次測試實際情況，將傳感器布置在駕駛室懸置與車架接觸部位，后橋接近單側鋼板彈簧處，傳動軸（前后軸轉接吊架）處。

3.2 測試系統

測試系統采用PCM-2532（汽車平順性測試分析系統），設備參數為三向加速度傳感器量程±5 g；角度測量范圍為0～±2000°，精度為0.05°；扭矩測量范圍為0～±50 Nm，精度為0.2%FS。

3.3 采樣周期參數設定

根據路況和測試車速，將采樣周期中采樣段數設定為25，每段測點數設定為1 024，確保采樣時間為128 s，充分保證測試數據的穩定性和可靠性。

3.4 測試數據

測試數據是得到某一測點的加權振動加速度均方根值，此數據是按3個方向（2個水平方向，1個垂直方向）的振動信號進行加權處理得到的。

4 整車平順性初步測試

4.1 確定共振速度點

共振現象最初由駕駛者主觀感受和儀表車速綜合對比反饋，為進一步落實共振集中爆發時的實際車速，決定分別針對50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h5種行駛速度進行客觀測試。

初步測試時，采用在駕駛員座椅座上與座椅靠背安裝坐墊傳感器，在腳部地板安裝三向振動加速度傳感器的方案，用于檢測駕駛員的駕駛方便性及駕駛室乘坐舒適性的客觀評價[3]，依據此測試方法推斷出最理想的測試車速，從而進一步確定振動源。

圖1～5分別為50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h直接檔測試中，駕駛員座椅相對整車X、Y、Z坐標三向的綜合加權結果。

圖1 車速50 km/h時主駕座椅測試數據處理

圖2 車速55 km/h時主駕座椅測試數據處理

圖3 車速60 km/h時主駕座椅測試數據處理

圖4 車速65 km/h時主駕座椅測試數據處理

圖5 車速70 km/h時主駕座椅測試數據處理

經過對比分析，在50～70 km/h車速區間內行駛，駕駛室共振的加速度均方根值存在一個上升趨勢，根據駕駛感受實際對比，在60～70 km/h區間內加速度均方根值整體上升趨勢明顯，而對比數據可以看出，這5個測點在65 km/h車速下振動強度達到了峰值，具體如圖6所示。

圖6 車速在50～70 km/h時座椅振動測試數據

通過圖6的數據分析，初步判斷65 km/h的車速可以作為重點排查選擇。接著重點對65 km/h車速下駕駛室座椅振動情況進行進一步測試。

4.2 客觀測試與主觀感受對比

根據4.1中針對50～70 km/h車速下駕駛員座椅的三向測試數據，與主觀感受進行數據對比，在65 km/h車速下，主駕駛座椅的座上、靠背、腳部3個位置的綜合總加權加速度均方根值已經達到了3.035 m/s2，與主觀感受對比表(見表1)對比分析后可以看出，主客觀的結論一致，在65 km/h車速下，共振達到了峰值，駕駛者感到極不舒服，由此，接下來的詳細分析測試，均建立在65 km/h行駛車速下。

表1 加權加速度均方根值與主觀感受對比表

5 駕駛室懸置傳遞特性分析

5.1 隔振率計算

通過平順性測試數據處理對比，針對駕駛室懸置傳遞特性測試集成在65 km/h車速下，利用駕駛室懸置的測試數據計算隔振率[1]，具體公式如下：

對各個待測點進行測試時，采用單軸向振動測試打點（重點測試方向為整車的Z坐標方向），測試數據處理如表

表2 各測點測試數據

5.2 駕駛室懸置對共振的影響

通過結合公式以及實際測試數據對比，Td=0.284，駕駛室懸置對于駕駛室Z向的隔振效果良好(隔振率為正值)[4]，說明懸置起到了很好的隔振效果，因此可以排除駕駛室懸置對異常共振產生的影響。

6 車橋與傳動軸處測試數據頻譜分析

對車橋處振動測試數據進行功率譜計算及數據處理，當車速為65 km/h時，如圖7所示，駕駛室座椅坐墊Z方向主要峰值頻率為7.03 HZ（能量最高），其他最高點在33.5 HZ及51.132 HZ。

圖7 座椅座墊處測點測試數據功率譜

對車橋和傳動軸處測試數據進行功率譜計算及數據處理，當車速為65 km/h時，功率譜如圖8、9所示。

圖8 車橋處測點測試數據功率譜

圖9 傳動軸處測點功率譜

通過測試數據分析，對比各測點與駕駛室坐墊Z向功率譜數據，初步得出在傳動軸吊架處測點對頻率7.03 HZ的激勵存在放大現象，該輕型貨車底盤在65 km/h的某階固有頻率接近駕駛室懸置傳遞至駕駛室的某階頻率，以致產生了共振。

7 樣車對比優化驗證

7.1 設計數據對比分析

對于此款長軸距樣機，重新核對各系統匹配計算過程，結合試驗結果重點關注了前傳動軸至后傳動軸之間的匹配關系，發現后傳動軸設計長度偏離經驗值較多（長度一般不超過1 500 mm），經過市場調研其他品牌3800軸距樣機，初步判斷由于后傳動軸過長，使得此區域的固有頻率發生變化，直接影響整車激勵頻率與響應頻率之間的固有關系，導致在一定車速時出現共振。后經過重新匹配計算，在滿足傳動軸當量夾角α不大于3°的基礎上，將傳動軸中間吊架位置后移，增加前傳動軸長度同時減小后傳動軸長度，以此來減小前后傳動軸長度比例關系，并對前后傳動軸夾角（α1、α2、α3）進行校核，保證在滿載狀態下3個夾角均不超過4°，避免夾角過大，使一、二軸間的角速度差增大，從而擴大由此產生的系統振動，傳動效率也會因此受到影響，更嚴重會引起傳動軸異響，異常磨損，使得傳動軸壽命變短。新舊傳動軸布置方式如圖10、11所示。

圖10 原狀態傳動軸布置方式

圖11 新方案傳動軸布置方式

7.2 新方案裝車驗證測試

隨后重新裝車對實際狀態進行測試，在60～70 km/h車速下，異常共振現象已經減小，測試數據見圖12～14，其中測試數據與主觀感受一致，舒適性得到較大提高。

圖12 車速60 km/h時駕駛員座椅振動測試

圖13 車速65 km/h時駕駛員座椅振動測試

圖14 車速70 km/h時駕駛員座椅振動測試

7.3 新方案測試數據對比分析

通過對新方案測試數據和原測試數據對比，可以明顯看出，在優化傳動軸布置方式和重新校核夾角及前后傳動軸分配比例后，駕駛室共振情況已經得到明顯改善，具體測試對比數據如圖15～17所示。

圖15 車速60 km/h時新舊方案測試對比

圖16 車速65 km/h時新舊方案測試對比

圖17 車速70 km/h時新舊方案測試對比

8 結語

通過此次駕駛室振動測試試驗，結合專業的數據處理軟件，研究了整車（底盤）在無配重下的舒適度、測點信號的功率譜等，通過主觀駕駛感受與客觀數據對比，以及市場調研對標分析，結合設計計算，找出車輛異常共振的原因是傳動軸（前/后）分配比例失調，后軸過長，從而導致在一定車速下，傳動軸的固有頻率發生偏離，與駕駛室產生共振區域直接落在樣機正常行駛的車速區間內。此次測試為車輛異常共振診斷提供了可靠的數據參考，并通過實車優化，驗證了問題真因所在。