水平路面行驶卡车驾驶室抖动问题综述

2020-11-23赵涛

汽车文摘 2020年8期

赵涛

（北汽福田汽车股份有限公司，北京 102206）

主题词：载货汽车行驶抖动车架模态驾驶室悬置系统悬架系统

1 前言

卡车的低频行驶抖动是指车辆在平滑路面上行驶时乘员所感受到的乘坐扰动。卡车的振动在平滑路面上比粗糙路面更倾向于展示振动周期性，且乘员在粗糙路面上本来就期望车辆振动[1]，因此平滑路面上的行驶抖动更容易引起客户抱怨。近年来随着道路条件的极大改善和用户对商用车NVH特性要求的不断提高，商用车在平直良好的路面上的异常抖动成为商用车面临的重要问题。根据近年来的文献表述，抖动主要表现形式为特定行驶速度下有规律的驾驶室垂直跳动、前后俯仰振动或横向抖动。当这些振动发生在用户常用车速范围内，引起用户的感觉极为不适，使用户对卡车的质量产生负面印象，而且会使易损货物产生损坏，从而引发用户退车。

由于卡车是一个复杂的振动系统，普遍装配的轮胎均匀性较差，存在较大的激励。这些激励会通过板簧悬架、车架及驾驶室悬置传递到驾驶室地板和座椅，使驾乘人员感受到振动。同时卡车板簧悬架系统、车身悬置系统的模态及车架的弹性体模态等多个模态频率都处于0～10 Hz的低频范围，很容易被车轮激励激发，引起整车低频异常抖动。

2 卡车低频行驶抖动的激励源

卡车的激励源是多方面的，例如发动机的激励、传动系统激励、车轮激励及路面不平度引起的随机激励等。传动轴、发动机的激励频率通常为车轮总成的激励频率的数倍以上。引起卡车低频抖动的问题通常为车轮总成的激励，文献[2]通过控制车轮总成的动平衡和径跳解决了重型牵引车车速70 km/h行驶时，振动频率5.5 Hz抖动问题。文献[3-7]研究表明车轮总成的激励是引起整车低频抖动的激励源。车轮总成的激励主要有车轮总成的不平衡、车轮总成由制造误差引起的径向跳动和端面跳动、轮毂制动鼓不平衡以及车轮安装在轮毂上的定位精度低，这些都会随车轮的转动对整车产生激励。

3 悬架系统对卡车行驶抖动的影响

卡车悬架系统大都采用钢板弹簧悬架，板簧悬架的主要优点是结构简单，制造成本低。但由于国内板簧悬架需要考虑超载等因素，普遍增加悬架的刚度，导致整车偏频较高，文献[3]中某重型卡车的后悬架振动频率达到了4.5 Hz。当车轮的激励频率与悬架偏频重合时引起整车抖动。当前悬架共振时通常驾驶员感觉是垂直跳动。当后悬架共振时，在短轴距的载货汽车上，振动极容易传递到驾驶室，驾驶员通常会感觉到一定程度的俯仰振动。

对于该问题，国内学者也做了大量的研究工作。赵敬义等针对某重型卡车在车速55 km/h行驶时垂向异常抖动问题，通过测试发现该问题的频率为4.5 Hz，激励源为轮胎的旋转激励，车架的振动谱振存在两个分别为2.8 Hz和4.5 Hz的固有频率，4.5 Hz为悬架的后偏频。由于后悬架不能改动，通过对中后桥的加工、装配精度和轮毂、制动鼓及轮胎总成的动不平衡量进行了限制，前悬架刚度增大15%，增大前减振器阻尼1倍，驾驶室悬置刚度降低50%，问题改善到可以接受的程度[3]。牛恩拂针对载货车在车速40～50 km/h行驶时驾驶室强烈振动的问题，建立了整车有限元模型，确定了车轮不平衡是主要原因，通过正交试验的方法对前后悬架的刚度和阻尼参数进行最优匹配[4]。杨年炯对某商用车在车速55～60 km/h行驶时的驾驶室振动问题，通过TPA分析发现板簧固有频率与激励频率重合是主要原因。通过降低后板簧刚度使其由2.5 Hz降低到2.0 Hz，问题得到解决[5]。王杰等对某轻型商用车匀速行驶在平直路面上时，车速38 km/h和60 km/h时出现的规律性的上下和前后振动进行了试验探讨。车速38 km/h时的振动主要是簧上偏频共振引起，通过改善减振器，改变板簧刚度，控制轮胎动平衡等，问题得到解决[6]。左丙发等对某中型6×2货车在平直路面上驾驶室出现的有规律的上下抖动现象进行测试和分析，证明车辆异常抖动的主要影响因素是车轮及轮胎总成的轴向、径向尺寸跳动量，动不平衡量，以及驾驶室悬置的方式和钢板弹簧的刚度。通过优化车轮总成参数、改变驾驶室悬置安装方式，降低一桥和二桥钢板弹簧的刚度来改变车辆各零部件固有频率的重叠，从而达到降低车辆抖动的效果[7]。

对于悬架系统共振引起的卡车抖动问题的改进措施主要是降低板簧悬架的刚度、调整减振器的阻尼、降低车轮总成的激励。通常当悬架系统的偏频小于2 Hz时，车轮在低速下的激励较小，难以激起悬架系统的共振。

4 车架对卡车行驶抖动的影响

卡车车架集成了悬架、动力总成、驾驶室、货箱及各种动力附件等，是承载卡车载荷的最重要部件。文献[8]针对重型牵引车进行了研究，结果表明车架刚度对整车行驶平顺性有较大影响。文献[1]研究表明，车架在整车约束状态下的一阶频率通常不超过10 Hz。文献[9]中某轻车的车架一、二阶扭转和垂向、横向一阶弯曲均在10 Hz以下。车架的模态随货车的载货量增加而降低，当车轮激励与车架的固有频率重合时会引起整车振动。通常激发整车抖动的车架模态为车架的一阶弯曲和一阶扭转模态。

国内文献针对车架对卡车行驶抖动的影响也多有研究。张瑞先针对某轻卡在55～60 km/h车速行驶时，驾驶室出现较明显上下抖动问题进行整车CAE分析和实车验证，得到结论为：加强驾驶室结构、提高驾驶室悬置刚度，故障车的振动有明显改善，但问题并未消除；改变前后簧的刚度（前簧降低16%，后簧降低36%），车辆振动无改善；更换端跳和径跳符合要求的轮胎总成后，车辆抖动问题消除，更换端跳大的轮辋（端跳值为2.2 mm）后车辆出现横摆，更换更大径跳（径跳值为2.3 mm）的轮辋后车辆出现纵摆[10]。刘大维等对某自卸车在60 km/h时行驶产生的横向抖动进行了测试，找出了该自卸车产生异常抖动原因为车轮不平衡引起了车架的1阶、2阶固有频率，与车架产生共振，使车辆产生异常横向抖动[11]。傅春宏等对某中型卡车车速在40 km/h时产生的驾驶室异常振动，通过有限元分析和道路试验相结合，得出车轮产生的摇振频率与整车的一阶扭转固有频率相近产生了共振[12]。东风商用车技术中心时磊针对某卡车在车速57 km/h出现的低频5.4 Hz的驾驶室异常振动的问题，进行了常规振动试验和整车模态试验，得出该问题为车架整体一阶弯曲引起。论文指出通过增加车架与车厢副梁的连接刚度来提高整车的弯曲刚度，能够使乘坐舒适性提高，由于成本增加较大未采用。通过降低两个前桥钢板弹簧刚度，增大阻尼比100%，改进效果不明显。将驾驶室悬置由半浮式改为全浮式后，振动加速度幅值由1.8m/s2降低为0.3m/s2，达到主观可以接受的程度[13]。张谋武等针对某载货汽车车速50 km/h时出现的驾驶室异常振动问题，建立了有限元模型，进行了模态分析。结合仿真分析与试验结果发现，引起驾驶室异常振动的原因是车轮的转频5.57 Hz与整车一阶弯曲模态频率5.49 Hz接近从而发生共振。通过对车架进行优化设计和结构修改，在车架前段增加2 mm厚衬梁，使得振动幅值降低90%[14]。胡溧等对某商用车车速45 km/h时发生的驾驶室异常抖动问题，通过偏频试验、道路平顺性试验、驾驶室悬置的隔振率测试，结合频谱分析和相干分析及有限元分析，得出车轮的激振频率与驾驶室的固有频率和车架的一阶模态节接近，导致共振。通过改进激励源，消除该异常振动现象[15]。

通常由于车架弯曲振动的改进措施不多，对现有车辆的改进通常为增大车架前段纵梁的刚度或货箱副梁的弯曲刚度，以及车架与货箱副梁的连接刚度。通常货箱与车架之间连接方式对车架的模态有影响。车架上固定安装的车厢会提高整车的弯曲刚度和模态频率[16]。车架前端没有货箱纵梁加强，货箱副梁前端车架纵梁处在弯曲振动中形成节点。试验表明车架与车厢副梁之间用橡胶垫隔离时会降低车架与副梁连接在一起的整体刚度，降低整车抖动车速。车辆在开发后期遇到车架共振引起的行驶抖动问题时，普遍没有低成本的解决方案。在大规模生产中提出车轮激励的较高控制标准，在现有加工水平下，往往导致一定的废品率，增加成本。通过大幅度改进车架刚度来消除振动往往不现实，通过改进悬架刚度效果不明显，改进驾驶室悬置刚度对减小该类抖动有一定程度的降低，由于车架存在共振，问题很难彻底消除。车架发生弯曲振动时，车架的前端的振动相对较大，通常驾驶室前悬置布置在车架最前端，因此驾驶室前悬置对车架振动的传递有重要影响。如果驾驶室前悬置是橡胶悬置，受到橡胶悬置的结构限制普遍没有好的解决方案。前悬置可以采用螺簧悬置或液压悬置等结构通过减小刚度和增大阻尼的方法来在一定程度上解决。由于车架承载着驾驶室、动力总成、悬架、货箱及各种附件，这些部件集成在车架上，对车架的模态有重要影响。只分析车架本身的模态不能精确预测车架是否会发生共振，需要建立整车模型对车架的弯曲或扭转振动做分析预测。

5 驾驶室悬置系统对整车抖动的影响

驾驶室及其悬置系统存在六阶刚体模态，通常垂直、俯仰等模态都处于10 Hz以下，当悬置系统频率配置不合理时，容易引起车辆抖动。由于卡车驾驶室本身需要通过前部打击、顶压等碰撞法规，普遍刚度较高，本身的弹性体模态远高于车轮的一阶激励频率，不会被激发出来。国内文献针对驾驶室悬置对卡车行驶抖动的影响也多有研究。白云志等对某重型卡车在良好路面上车速为40～60 km/h行驶时驾驶室出现的上下方向和左右方向的振动问题进行了振动测试和分析，通过振动信号的互功率谱密度分析和相关性函数分析发现，驾驶室抖动的问题原因为车桥的不平衡和驾驶室悬置的减振效果不理想。通过降低前后驾驶室悬置刚度和阻尼，利用ADAMS动力学模型验证，振动幅值降低69.9%[17]。宣海军对某型重卡行驶车速在67 km/h时整车上下抖动明显问题进行了分析改进，利用FTA故障树分析方法，分析得到问题的原因为车轮不平衡引起的振动频率与驾驶室刚体模态频率重合。通过对轮辋径跳、轮辋端跳，车轮动平衡的改进，最终主观评价无明显抖动，问题解决[18]。盛云等对中型货车在35～40 km/h车速出现的驾驶室异常共振问题，通过测试和分析发现驾驶室后左悬置对车桥传递至驾驶室的低频振动起到极大的放大作用，是驾驶室内产生异常共振的主要原因，更换悬置后振动消除[19]。郭福祥等针对某轻卡车速在62 km/h左右行驶时驾驶室存在的6.8 Hz的振动问题进行分析，对驾驶室橡胶悬置系统的固有频率和解耦特性进行了优化。实车试验测试，优化后驾驶室振动加速度幅值被削减了32%，振动改善明显[20]。唐良兵等对某商用车车速在65 km/h左右出现的驾驶室异常振动现象进行试验研究表明车轮产生的激励频率与驾驶室的固有频率相接近导致共振。通过优化悬置参数解决问题[21]。

对于车身系统匹配引起的卡车行驶抖动问题的改进措施主要是调整驾驶室悬置系统的垂向、俯仰等模态频率。对于橡胶悬置系统，需要合理的配置悬置系统的频率，提高悬置的隔振率。采用全浮式螺簧悬置或气囊悬置结构的驾驶室悬置系统，其频率通常处于较低的频率范围，文献[22]中全浮驾驶室的垂直频率只有1.4 Hz，俯仰频率为1.6 Hz。因此该类驾驶室悬置系统在水平路面上很难被车轮总成一阶激励激发出来。