重型卡車舒適性提升及試驗驗證

陳瑞峰，王劭斌，趙莉

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

近年來，隨著重型卡車技術水平的突飛猛進，以及道路條件的不斷完善，越來越多的商用車輛選擇在高速公路上運送貨物。然而部分車輛在常用車速行駛時，會出現(xiàn)明顯的整車抖動問題。在長途行車的過程中，這種異常抖動一方面加劇了駕駛員的身體疲勞，造成腰肌勞損，令一方面分散駕駛員注意力，存在安全隱患[1，2]。駕乘舒適性在很大程度上反映出汽車的設計水平和制造工藝水平，因此，解決車輛異常抖動，保證行駛平順性成為重型卡車NVH 工程師的重點工作，這對于提升駕駛員幸福感，增強產品市場競爭力具有重要意義。

常見的車輛行駛抖動問題主要分以下三種：（1）零部件設計或質量缺陷引起的個別部位異常抖動，如模態(tài)頻率共振導致的后視鏡抖動、轉向系統(tǒng)質量問題導致的方向盤擺振等。（2）傳動軸不平衡量引起的高頻振動，通常表現(xiàn)為駕駛員腳底板有麻木感[3]。（3）車輪轉動不平衡引起的整車低頻抖動，通常表現(xiàn)為駕駛室前后晃動或上下跳動[4，5]。本文重點討論第三種情況。

1 抖動車輛測試分析

1.1 主觀評價

對常用車速抖動車輛進行動態(tài)主觀評價，有以下關鍵特征的可基本判定是由車輪轉動不平衡引起：（1）在平直路面上，抖動現(xiàn)象僅和勻速行駛車速有關，且車速越穩(wěn)定抖動越劇烈，與不同的檔位和發(fā)動機轉速無關。這是因為振動激勵來源為車輪系統(tǒng)，當其激勵頻率與車輛某一系統(tǒng)或大總成固有頻率產生共振時引發(fā)抖動，而車輪激勵頻率僅與車速直接相關。（2）有些車輛抖動車速在滿載時比空載低。這是因為懸架系統(tǒng)偏頻與簧上質量成反比，滿載車輛質量大，偏頻比空載時小，相應的共振頻率也比較低，對應較低的車速。（3）有些車輛出現(xiàn)抖動的車速和空滿載無關，極有可能是車輪激勵與駕駛室剛體模態(tài)產生了共振。（4）有些車輛抖動現(xiàn)象會在比較明顯的上下坡時消失。這是因為在坡道上行駛時車輛重心發(fā)生了前后方向偏移，導致簧上質量產生變化從而改變了共振頻率。

1.2 客觀測試

主觀評價判定車輛異常抖動是由車輪一階不平衡量引起后，通過客觀測試數據具體分析問題。

1.2.1 實車道路測試

試驗車輛：存在常用車速抖動問題的車輛。

測點布置：（1）主駕駛員座椅導軌；（2）前橋正上方對應的車架位置；（3）后橋正上方對應的車架位置；（4）駕駛室右側縱梁。

測試設備：數據采集儀、加速度傳感器、信號分析軟件。

測試工況：平直路面緩加速行駛、平直路面抖動車速穩(wěn)速行駛。

1.2.2 整車模態(tài)測試

對整車進行模態(tài)試驗。在全車共布置268 個響應測點，在體現(xiàn)整車主要幾何輪廓的同時涵蓋了所有大總成零部件。采用4 個激振器分別在右前車架、左前車架、左后車架以及變速器下方四個點對整車進行激勵，試驗過程中選擇隨機觸發(fā)作為源信號，每組試驗平均30 次降低測試過程中的隨機誤差。

測試結果得到整車模態(tài)分布表和振型圖。

1.3 測試結果分析

a）道路試驗中，車輛在平直路面上從較低穩(wěn)定車速開始緩加速行駛至最大車速，整個過程用時間跟蹤采集各測點加速度信號，得到緩加速駕駛員座椅導軌垂向振動加速度瀑布圖。

由瀑布圖可以明顯看出，振動量峰值所在頻率隨著車速增加而增加，形成一條明顯的“山脊”，且在經過某一個共振點時出現(xiàn)最大值，該頻率即為異常抖動頻率，該最大峰值所處車速即為異常抖動車速。

令車輛以異常抖動車速在平直路面上行駛，同時采集各測點加速度信號，得到抖動車速穩(wěn)速行駛頻譜圖。

從抖動車速穩(wěn)速行駛頻譜圖中可以得出整車異常抖動頻率，運用下文公式可驗證該頻率為車輪轉動一階頻率：

式中：

f----整車異常抖動頻率，Hz；

r----車輪半徑，m；

V----異常抖動車速，km/h。

注意該車速為車輛真實的GPS 車速，通常比儀表盤顯示車速略小。

b）將道路試驗得到的車輪激勵一階頻率與模態(tài)分布表進行對照，并結合整車自由模態(tài)計算分析結果，發(fā)現(xiàn)該頻率與多個總成模態(tài)頻率非常接近，包括駕駛室繞Z 軸橫擺、駕駛室繞Y 軸俯仰以及后懸架偏頻。所以在勻速行駛過程中極易產生共振從而導致整車異常抖動。

2 抖動車輛調校及驗證

根據上文分析，該類型的車輛異常抖動是由車輪一階不平衡引起的，該激勵頻率必定會在特定車速下與整車或某一系統(tǒng)模態(tài)產生共振，減小車輪不平衡量即可改善抖動問題。而影響車輪不平衡的主要因素有兩點：（1）徑向跳動過大，即車輪不正圓；（2）車輪動平衡不達標。首先從這兩方面對車輪進行調校并驗證結果。

2.1 車輪徑向跳動測量

加工下圖簡易測量工具對全車車輪進行徑向跳動量測試：

圖2 輪胎的徑向跳動測量

測試結果顯示，該車部分車輪的徑向跳動量超過3mm，不能滿足“正圓”要求，必定會在轉動過程中對懸架系統(tǒng)產生激勵，所以為試驗車輛更換全部合格的車輪后再進行下一步動平衡調校。

2.2 車輪動平衡調校

車輪是由輪轂和橡膠輪胎組成的一個總成，由于各種原因，該總成各部位質量分布不可能完全均勻，所以當車輪高速旋轉時就會形成不平衡狀態(tài)，造成車輛異常抖動。為了消除這種不平衡，我們通過增加配重塊的方法，使分布在車輪上各個質量的離心慣性力合力為零，同時離心力所引起的力偶的合力偶矩也為零。即∑F=0 且∑M=0。最終保證車輪在高速旋轉時平穩(wěn)、可靠。

由于車輪有一定的寬度，所以使用有內、外側兩個校正面的立式平衡機，對全車所有車輪進行動平衡調校。

圖3 動平衡調校圖示

2.3 駕駛室懸置和底盤調校

由于各種原因，部分車輛車輪一階不平衡激勵無法完全消除。還有部分車輛由于超重行駛、質量問題等因素，車輪無法長期保持轉動平衡。對于上述車輛，也可以進行兩個方面調校：（1）降低駕駛室系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率，即調校駕駛室懸置偏頻，降低共振頻率至常用車速以下且提升懸置隔振效果；2、優(yōu)化底盤前后懸架匹配，平衡前后懸架對激勵的敏感性，如后懸偏頻共振，則在保證操穩(wěn)性能的基礎上適度增加前懸減振器阻尼或減小后懸減振器阻尼。

駕駛室懸置系統(tǒng)的偏頻，即固有頻率f0可由公式2 確定：

式中：

g-----重力加速度，g=9810mm/s2；

c-----減振器剛度，N/mm；

G ----簧載質量，N。

可通過降低減振器剛度的方式減小駕駛室懸置固有頻率。這樣一方面可以使共振頻率降低到常用車速以下，另一方面可提升懸置系統(tǒng)隔振性能，因為根據振動理論，只有當激勵頻率與固有頻率的比值大于時，系統(tǒng)才起到隔振作用。

2.4 調校結果驗證

通過上述各項調校工作后，對抖動車輛進行實車驗證。在各測點位置采集振動加速度信號，通過道路試驗與原狀態(tài)數據進行對比驗證，相同工況下各位置振動量都有明顯下降，常用車速異常抖動現(xiàn)象也隨即消失。

3 結論

本文主要討論了重型卡車常用車速異常抖動問題的分析依據及解決辦法，得出以下結論：

（1）針對整車NVH 問題，在進行客觀測試前，首先通過主觀評價識別故障源，判斷大致解決方向，可有效提高排查效率，縮短測試時間。

（2）在整車幾個關鍵位置進行多工況振動測試，測得車輪一階激勵頻率。該頻率對照整車模態(tài)分布表和虛擬仿真計算結果，判定抖動原因是車輪激勵頻率與整車大總成模態(tài)共振。

（3）通過車輪徑向跳動、車輪動平衡、駕駛室懸置和底盤減振器幾個方面調校，消減激勵振源，轉移共振頻率并衰減振動能量，有效解決了重型卡車常用車速抖動問題。