卡車平順性控制技術(shù)研究

殷金祥 岳濤 王軍龍 張攀登

摘 要：針對卡車平順控制問題，文章闡述了平順性產(chǎn)生的機(jī)理，同時(shí)對影響平順性的要素車胎、板簧、減震器、駕駛室、駕駛室懸置及座椅等進(jìn)行了分析，提出需要控制的關(guān)鍵參數(shù)。在傳遞路徑上，從承載系統(tǒng)及車身系統(tǒng)兩個(gè)方面，對其設(shè)計(jì)頻率要求及模態(tài)分布進(jìn)行了分析，提出了不同頻段設(shè)計(jì)的要求。最后結(jié)合某輕卡出現(xiàn)中速中頻段抖動(dòng)的實(shí)際問題，根據(jù)中頻段問題的解決思路，提出了解決方法，從解決結(jié)果來看，通過相關(guān)參數(shù)控制能有效解決卡車平順性問題。

關(guān)鍵詞：平順性;影響因素;路徑分析;參數(shù)控制

中圖分類號：TB535? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-60-04

Abstract： To solve the problem of truck ride comfort， the principle of truck ride control is explained， the factors affecting ride control are analyzed， such as tire， spring， absorber， body， body mount and seat， and the key parameters needed to be controlled are proposed. The method of the chassis system and body system parameters control is presented in the transfer path， and the requirements of different frequency band design are put forward. Finally， with the method a truck ride comfort problem about medium speed and medium frequency vibration was solved. From the solution results， the parameter control can effectively solve the problem of truck ride comfort.

Keywords： Ride comfort; Affecting factors; Transfer path analysis; Parameter control

CLC NO.： TB535? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-60-04

前言

隨著國內(nèi)商用車市場發(fā)展，使用者的年輕化，人們對卡車的要求不再只停留在能拉能扛的基礎(chǔ)性能要求上，對卡車NVH性能要求逐漸提高，其中對卡車平順性要求尤為突出。車輛平順性又稱為乘坐舒適性，是考核卡車性能的主要指標(biāo)之一，車輛平順性直接影響車內(nèi)乘員的乘坐舒適性，平順性較差甚至影響車內(nèi)乘員的身體健康，特別是長期從事運(yùn)輸工作的長途司機(jī)?？ㄜ嚻巾樞允莻€(gè)綜合性問題，涉及整車的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行控制，本文針對如何控制卡車平順性，從機(jī)理、產(chǎn)生的原因、設(shè)計(jì)控制要素等方面闡述如何設(shè)計(jì)出一個(gè)平順性好的卡車。

1 卡車平順性產(chǎn)生機(jī)理

研究卡車平順性時(shí)，一般問題頻率在25Hz以下，可將卡車簡化成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)[1，2]，如圖1所示，這個(gè)系統(tǒng)的激勵(lì)來自兩個(gè)方面，一個(gè)方面車輛在行駛過程中，由于路面不平引起的系統(tǒng)振動(dòng)，另一個(gè)方面是由于輪胎動(dòng)不平衡引起的系統(tǒng)振動(dòng)。當(dāng)激勵(lì)頻率和卡車系統(tǒng)中某個(gè)固有頻率相同時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)共振問題，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的平順性問題。

由于路面是隨機(jī)激勵(lì)，平順性考察一般在平整路面上進(jìn)行[3]，此時(shí)激勵(lì)源主要是輪胎。輪胎激勵(lì)和其動(dòng)平衡、端跳、徑跳等相關(guān)，具有周期性，在不同車速下表現(xiàn)的頻率不相同，如圖2所示，輪胎激勵(lì)頻率具有階次特征[4]，一般情況下，一階是不平衡模態(tài)，二階是橢圓形模態(tài)，三階是三角形模態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)其某個(gè)模態(tài)頻率和系統(tǒng)頻率相近時(shí)，便出現(xiàn)平順性問題。

以輪胎750R16為例，0km/h～100km/h時(shí)，一階激勵(lì)頻率0Hz～12Hz，這個(gè)頻率范圍幾乎涵蓋了整車偏頻、駕駛室剛體模態(tài)及人-座椅系統(tǒng)模態(tài)，在一定車速下就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)共振。如當(dāng)卡車簧上偏頻是2.3Hz時(shí)，車輛在行駛到20km/h時(shí)，輪胎的激勵(lì)頻率為2.36Hz，接近整車簧上偏頻，此時(shí)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，出現(xiàn)平順性問題。

2 影響平順性的要素

影響卡車平順性的要素可從激勵(lì)源及傳遞路徑上來分析，如圖3所示。

激勵(lì)源主要是輪胎，而影響激勵(lì)大小的參數(shù)主要有動(dòng)平衡、徑跳、徑向剛度和端跳。動(dòng)平衡、徑跳、徑向剛度不好會(huì)出現(xiàn)在車速相關(guān)階次振動(dòng)，當(dāng)和整車某個(gè)頻率相近時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的共振的現(xiàn)象，端跳過大會(huì)出現(xiàn)擺振現(xiàn)象。

傳遞路徑上主要有兩系統(tǒng)：由板簧、減震器和車架組成的承載系統(tǒng);由駕駛室、駕駛室懸置及座椅組成的車身系統(tǒng)。承載系統(tǒng)中關(guān)鍵要素是板簧的剛度，減震器的阻尼及車架的模態(tài)，其中板簧的剛度和減震器的阻尼影響振動(dòng)的傳遞率。車身系統(tǒng)中駕駛室懸置特別重要，它不但影響駕駛室的剛體模態(tài)，還會(huì)影響到振動(dòng)的傳遞率，需要重點(diǎn)控制。人-座椅系統(tǒng)主要關(guān)注其頻率及阻尼設(shè)計(jì)，一般要求小于4Hz。

3 平順性的設(shè)計(jì)控制

3.1 隔振的基本理論[5]

根據(jù)隔振的基本理論，在只考慮單方向振動(dòng)的情形下，單自由度隔振系統(tǒng)，隔振系數(shù)公式為：

激勵(lì)頻率與隔振器固有頻率比值λ，低頻段（0≤λ≤0.75），不呈現(xiàn)明顯的放大特性;共振段（0.75≤λ≤），將輸入位移放大;高頻段（λ≥），對輸入位移起衰減作用。

3.2 承載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

影響平順性的承載系統(tǒng)的主要部件是板簧、減震器及車架，這幾個(gè)部件組成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，體現(xiàn)在頻率上是簧上偏頻和簧下偏頻，卡車簧下偏頻在10Hz～15Hz之間，一般要求高于動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率但低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率，由于相對頻率較高一般對平順性影響較小。

而簧上偏頻對卡車的平順性影響較大，卡車的懸架系統(tǒng)的簧上偏頻基本處在1.5Hz-3.5Hz之間，而輪胎隨著車速的變化的一階激勵(lì)頻率一般從0Hz～15Hz之間，在車輛低速行駛時(shí)，懸架系統(tǒng)處于共振區(qū)。為了使激勵(lì)頻率與懸架系統(tǒng)的簧上偏頻比值處于不呈現(xiàn)明顯的放大特性區(qū)（0≤λ≤0.75），一般貨車滿載時(shí)，前懸架偏頻要求在1.50 Hz～2.10Hz，而后懸架則要求在1.70Hz～2.5Hz，同時(shí)為了降低振動(dòng)峰值，懸架系統(tǒng)阻尼比ζ通常設(shè)計(jì)在0.25左右。同時(shí)為避開前后懸架共振因素，在整車各種載荷下前后懸架偏頻比應(yīng)界于0.85～0.95之間。在高速時(shí)，隨著車速的提高當(dāng)輪胎一階激勵(lì)頻率大于懸架系統(tǒng)的固有頻率倍時(shí)，懸架系統(tǒng)處于隔振區(qū)。

3.3 車身系統(tǒng)

車身系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是駕駛室及其懸置，和人與座椅組成的系統(tǒng)。體現(xiàn)在頻率上，一個(gè)是駕駛室剛體模態(tài)，人-座椅系統(tǒng)頻率。駕駛室剛度模態(tài)，對于使用機(jī)械式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的駕駛室，其剛體模態(tài)一般在4Hz～9Hz之間，這與車輪旋轉(zhuǎn)頻率區(qū)間重合，在達(dá)到一定激勵(lì)能量的情況下會(huì)產(chǎn)生共振。而影響較大的是繞Y軸的剛體模態(tài)，設(shè)計(jì)不好在一定車速下會(huì)出現(xiàn)駕駛室點(diǎn)頭現(xiàn)象。

在選擇“人體-座椅”系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，首先要保證人體垂直方向最敏感的頻率范圍4Hz～12Hz處于減振區(qū)[6，7]，小于4Hz為宜。座椅的一階模態(tài)一般控制在14Hz到20Hz之間，同時(shí)“人體-座椅”系統(tǒng)的阻尼比達(dá)到0.2以上才有較好的減振效果，有的高阻尼材料制成的泡沫成形坐墊，其阻尼比ξ可達(dá)0.3～0.4。

3.4 模態(tài)分布設(shè)計(jì)

為避免系統(tǒng)間的共振，卡車平順性設(shè)計(jì)關(guān)鍵是模態(tài)分布設(shè)計(jì)，為了更好直觀分析模態(tài)分布的合理性，可繪制關(guān)鍵系統(tǒng)的模態(tài)分布表，如表1所示。

從表1可見，激勵(lì)源輪胎隨著車速的變化幾乎涵蓋了關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)頻率，在一定車速上總會(huì)有系統(tǒng)處在共振區(qū)，因此為了系統(tǒng)振動(dòng)小，輪胎的設(shè)計(jì)制造非常重要，小的輪胎激勵(lì)是減小系統(tǒng)共振的關(guān)鍵。根據(jù)模態(tài)分布表，在低頻區(qū)<4Hz設(shè)計(jì)時(shí)，簧上質(zhì)量系統(tǒng)及人-座椅系統(tǒng)，處于共振區(qū)，這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求其頻率盡可能低，同時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的頻率錯(cuò)開，在簧上偏頻足夠低時(shí)，車速也低，這時(shí)輪胎的激勵(lì)能量不大，可有效避免平順性問題。在中頻區(qū)4Hz～10Hz設(shè)計(jì)時(shí)，駕駛室系統(tǒng)及人體響應(yīng)頻率在這個(gè)區(qū)間，由于此時(shí)承載系統(tǒng)和人-座椅系統(tǒng)處于隔振區(qū)，為減少這個(gè)區(qū)間振動(dòng)，在路徑上提升承載系統(tǒng)和人-座椅系統(tǒng)的隔振率以及其阻尼是關(guān)鍵，同時(shí)使駕駛室各個(gè)方向的剛體模態(tài)頻率錯(cuò)開。在高頻區(qū)>10Hz設(shè)計(jì)時(shí)，由于傳遞路徑上的系統(tǒng)處于隔振區(qū)，這個(gè)區(qū)間重點(diǎn)控制輪胎激勵(lì)及提升各個(gè)系統(tǒng)的隔振率。

4 實(shí)例分析

4.1 問題描述

某輕卡在平直路面上行駛時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到75km/h時(shí)，出現(xiàn)行駛抖動(dòng)問題，駕駛室俯仰抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，通過測試分析，在75km/h時(shí)，座椅導(dǎo)軌處存在8.79Hz的振動(dòng)峰值，加速度值達(dá)0.1g，如圖5所示。

4.2 問題分析

該輕卡裝配的輪胎型號是750R16，輪胎是半徑375mm，通過計(jì)算在75km/h時(shí)輪胎的一階激勵(lì)頻率8.84Hz，和問題頻率基本一致。同時(shí)對駕駛室進(jìn)行剛體模態(tài)測試，如圖6所示，繞Y軸模態(tài)Ry 8.5Hz， 和問題頻率相近，通過對比分析，產(chǎn)生問題的原因是由于輪胎的一階頻率激勵(lì)，引起駕駛室繞Y軸振動(dòng)引起的。

4.3 處理措施

根據(jù)模態(tài)分布設(shè)計(jì)情況，由于問題頻率處在中頻區(qū)4Hz～10Hz，駕駛室的剛度模態(tài)設(shè)計(jì)難以避開輪胎的激勵(lì)頻率，調(diào)整駕駛室的剛體模態(tài)會(huì)引起其它車速下的共振問題，因此，減少激勵(lì)輸入，同時(shí)提升懸架系統(tǒng)的隔振，優(yōu)化阻尼比是關(guān)鍵。

通過控制輪胎的動(dòng)平衡，由50g提升至30g，以降低激勵(lì)源;同時(shí)將前板簧由多片簧更換成少片簧，降低了動(dòng)剛度，提升了懸架系統(tǒng)的隔振率;將前減振器的阻尼比由15%提升到25%，降低共振峰值。通過測試原振動(dòng)峰值由0.1g降至0.05g，如圖7所示，主觀評價(jià)良好，達(dá)到了實(shí)際要求。

5 結(jié)語

本文針對卡車平順控制問題，闡述了平順性產(chǎn)生的機(jī)理，根據(jù)機(jī)理對影響平順性的要素從激勵(lì)源及傳遞路徑上進(jìn)行了分析，總結(jié)出了相關(guān)部件的關(guān)注參數(shù)。針對如何進(jìn)行平順性設(shè)計(jì)控制，分承載系統(tǒng)及車身系統(tǒng)進(jìn)行了分析，同時(shí)提出了如何進(jìn)行模態(tài)分布設(shè)計(jì)與分析。最后針對平順性實(shí)際問題，利用模態(tài)設(shè)計(jì)分析的方法進(jìn)行了解決，從實(shí)例結(jié)果來看該通過控制傳遞路徑上的關(guān)鍵參數(shù)能有效解決卡車平順性問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉顯臣.汽車NVH綜合技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.

[2] 馬季.重型卡車八自由度振動(dòng)模型建模與計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011（4）：26-29.

[3] 汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4970.

[4] 雷啟明.輪胎均勻性對牽引車行駛平順性影響試驗(yàn)研究[J].汽車科技.2011（3）：62-66.

[5] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6] 劉方抗.機(jī)械振動(dòng)學(xué)[M].北京：航空工業(yè)出版社， 1992.

[7] 譚祥軍.從這里學(xué)NVH：噪聲，振動(dòng)，模態(tài)分析的入門與進(jìn)階[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.