東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院 楊建偉 馬擴(kuò)

漢陽(yáng)專(zhuān)用汽車(chē)研究所 陳小強(qiáng)

對(duì)輕型卡車(chē)駕駛室在怠速工況下振動(dòng)過(guò)大進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試、分析探究，確定其振動(dòng)是由動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度匹配不當(dāng)所致。通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成的懸置系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析、剛度調(diào)整、重新匹配設(shè)計(jì)，從而使怠速工況下駕駛室的振動(dòng)得到有效控制。

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的跨越式發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)品消費(fèi)逐漸成為人們家庭消費(fèi)的重要方式。同時(shí)，隨著汽車(chē)產(chǎn)品的不斷增多和普及，車(chē)輛排放法規(guī)、噪聲振動(dòng)法規(guī)也日趨嚴(yán)苛。輕型載貨汽車(chē)作為汽車(chē)的一部分，雖然目前在國(guó)內(nèi)的定位主要是作為生產(chǎn)工具來(lái)使用，價(jià)格相對(duì)較便宜，但人們對(duì)它的要求卻越來(lái)越高，用戶(hù)對(duì)車(chē)輛的乘坐舒適性越來(lái)越重視?？梢哉f(shuō)，汽車(chē)的乘坐舒適性已成為衡量其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素,而駕駛室的振動(dòng)是影響整車(chē)動(dòng)態(tài)特性與駕駛舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。

對(duì)于部分輕型卡車(chē)產(chǎn)品，在駐車(chē)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)，人體主觀感覺(jué)整車(chē)駕駛室內(nèi)方向盤(pán)、座椅以及后視鏡振動(dòng)較大，這會(huì)給駕乘人員帶來(lái)較為嚴(yán)重的不舒適感。因此，考慮從根本上進(jìn)行設(shè)計(jì)改善。

駕駛室怠速振動(dòng)過(guò)大原因分析

對(duì)于輕型載貨汽車(chē)而言，整車(chē)的舒適性主要針對(duì)駕駛室而言的，引起駕駛室振動(dòng)的因素是多方面的，如何找出振動(dòng)的原因，是一個(gè)較為棘手、復(fù)雜的問(wèn)題。

根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，輕卡在怠速工況運(yùn)轉(zhuǎn)的主要激振源是與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸不平衡量和爆發(fā)脈沖壓力大小有關(guān)的二階轉(zhuǎn)速頻率產(chǎn)生的激勵(lì)。怠速時(shí)車(chē)輛振動(dòng)的傳遞路徑，由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置隔振后傳遞到車(chē)架上，通過(guò)兩個(gè)前懸置支承及兩個(gè)變速箱后懸置支承傳遞到駕駛室上對(duì)應(yīng)的4個(gè)支承點(diǎn)，駕駛室上4個(gè)支承點(diǎn)振動(dòng)激勵(lì)駕駛室本體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而引發(fā)產(chǎn)生駕駛室座椅、方向盤(pán)以及后視鏡等振動(dòng)。

1. 當(dāng)前開(kāi)發(fā)客觀因素

鑒于國(guó)內(nèi)輕型專(zhuān)用汽車(chē)底盤(pán)開(kāi)發(fā)方式大多為借鑒主機(jī)廠普通常規(guī)底盤(pán)的開(kāi)發(fā)模式，參照比較成熟的老舊車(chē)型，缺少對(duì)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）方面的分析研究，因此大都借用之前的懸置及懸置軟墊，主要考慮布置、裝配便捷，開(kāi)發(fā)周期短，能快速看到市場(chǎng)效益。但殊不知，因車(chē)架斷面尺寸、動(dòng)力總成質(zhì)心、駕駛室懸置支架、駕駛室本體以及車(chē)輛軸距等在發(fā)生變化，其質(zhì)量分配也發(fā)成了變化，造成借用的懸置軟墊激勵(lì)振動(dòng)頻率與駕駛室的固有頻率匹配變差，振動(dòng)也就變大。

加之，部分改裝企業(yè)對(duì)懸置軟墊的質(zhì)量檢測(cè)手段不足，供應(yīng)商在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)也疏于過(guò)程控制，往往造成實(shí)物與圖紙要求的產(chǎn)品減振性能相差甚遠(yuǎn)，零件性能相散差較大。同時(shí)，主機(jī)廠在發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)對(duì)怠速控制也不是很好，往往怠速偏低，轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍較大。

2. 振動(dòng)傳遞路徑分析

傳遞路徑分析法是一種基于試驗(yàn)的振動(dòng)與噪聲分析方法，可解決激勵(lì)源-路徑-響應(yīng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。該方法是一種通過(guò)分析主要振動(dòng)來(lái)源，進(jìn)行系統(tǒng)地、有的放矢地改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法。因此，對(duì)改善車(chē)輛NVH性能更具有針對(duì)性。

就輕型卡車(chē)而言，駕駛室的激勵(lì)源主要有路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。由于車(chē)輛處于駐車(chē)狀態(tài)，因此駕駛室主要的激勵(lì)源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下的傳遞路徑示意圖。若要降低振源發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)駕駛室的影響，最有效的辦法是調(diào)整傳遞路徑上的部件參數(shù)，達(dá)到減振與隔振的目的。因此，必須首先從發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源開(kāi)始，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果進(jìn)行測(cè)試。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源下傳遞路徑示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的激勵(lì)振動(dòng)頻率往往只是稍高于車(chē)架、駕駛室的固有頻率，若發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速偏低，容易引發(fā)共振。因此防止發(fā)生怠速共振也是減振的重要方面。輕型卡車(chē)的車(chē)架和駕駛室在Z向的第一固有頻率共振區(qū)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，這是怠速振動(dòng)大的又一重要原因。在實(shí)際裝車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，往往有部分整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速偏低。

綜合上文敘述和原因解析，部分輕型卡車(chē)駕駛室振動(dòng)過(guò)大的原因可能是發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、駕駛室懸置減振效果不好，兩者匹配不是最佳狀態(tài)，造成怠速時(shí)出現(xiàn)共振等因素引起的。

因此，改善振動(dòng)的主要方向?yàn)椋簷z測(cè)現(xiàn)有輕型卡車(chē)駕駛室內(nèi)某一參考點(diǎn)的振動(dòng)加速度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置解耦率進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)，通過(guò)調(diào)整懸置軟墊的剛度值，再進(jìn)行解耦分析、裝車(chē)后振動(dòng)加速度測(cè)試等對(duì)比檢測(cè)，最終達(dá)到降低怠速振動(dòng)的目標(biāo)。

改進(jìn)前的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)

1. 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)大都通過(guò)彈性支承固定在車(chē)架縱梁上，這種彈性支承即為懸置。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是指連接車(chē)輛動(dòng)力總成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸等與車(chē)架之間的一切彈性支撐的總和。

圖2 原樣車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置圖

圖3 原樣車(chē)六點(diǎn)懸置實(shí)物照片

圖4 原樣車(chē)六點(diǎn)懸置結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)必須通過(guò)懸置系統(tǒng)加以隔離，盡可能降低傳遞給車(chē)輛底盤(pán)和車(chē)身的振動(dòng)。同時(shí)懸置系統(tǒng)還必須隔離由道路不平引起的車(chē)輪懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)，防止這一振動(dòng)向發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞，避免發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加劇以滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和舒適性，并保證怠速和停機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。

測(cè)試輕型卡車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)采用6點(diǎn)支撐，即兩個(gè)前懸置（發(fā)動(dòng)機(jī)左、右前懸置）和兩個(gè)后懸置（飛輪殼左、右后懸置）以及變速箱上左、右兩個(gè)懸置。圖2是測(cè)試樣車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的布置示意圖，其中每一個(gè)懸置包括上、下兩支架和橡膠軟墊。圖3為樣車(chē)懸置實(shí)物圖片。

2.樣車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)解耦分析

對(duì)于輕卡樣車(chē)，為了徹查整車(chē)振動(dòng)大的確切原因，需要評(píng)估該樣車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果是否在要求范圍內(nèi)，需對(duì)樣車(chē)作摸底測(cè)試。樣車(chē)各懸置軟墊的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

為便于對(duì)比，以及數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，對(duì)原輕型卡車(chē)樣車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)各懸置點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行了校核，具體坐標(biāo)系參數(shù)如表1所示。同時(shí)對(duì)懸置軟墊的剛度值進(jìn)行了檢測(cè)，具體剛度值見(jiàn)表2。

表1 原樣車(chē)六點(diǎn)懸置參數(shù)表

表2 原樣車(chē)懸置軟墊剛度值

2.1 解耦設(shè)計(jì)目標(biāo)值

對(duì)樣車(chē)原始數(shù)據(jù)確認(rèn)后，對(duì)其進(jìn)行解耦模態(tài)分析，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，普通載貨輕卡其解耦設(shè)計(jì)目標(biāo)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下，解耦率需不低于60%，各坐標(biāo)方向的解耦設(shè)計(jì)目標(biāo)值如下：

a. Tz、 Rx解 耦率≥85%；

b. Tx、 Ry解耦率≥75%；

c. Ty、 Rz解 耦率≥60%；

d.8Hz

e. 各頻率間隔>1Hz，最小間隔>0.5Hz；

f. Tz、Rx頻率避開(kāi)怠速1階12.5～13.3Hz和0.5階6.25～6.67Hz。

2.2 預(yù)載力、預(yù)載位移目標(biāo)

預(yù)載力、預(yù)載位移目標(biāo)如下：

a. 前后懸置各點(diǎn)預(yù)載載荷及位移盡量均勻；

b. 懸置軟墊靜壓縮量不大于6 mm為宜。

2.3 懸置支架強(qiáng)度及模態(tài)目標(biāo)

懸置支架強(qiáng)度及模態(tài)目標(biāo)：

a. 托架模態(tài)目標(biāo)值：第二階約束模態(tài)要求大于500 Hz ；

b.強(qiáng)度目標(biāo)值：在極限工況下，最大應(yīng)力值不能超過(guò)屈服強(qiáng)度。

在采用MATLAB分析軟件將各邊界條件導(dǎo)入后，分析所得的解耦率數(shù)據(jù)如圖5所示：

圖5 原樣車(chē)解耦率數(shù)據(jù)

根據(jù)分析所得的解耦率，可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（750～800r/min）到1000r/min存在明顯的Tz與 Ry方向的共振耦合現(xiàn)象，這樣必然造成怠速工況下，駕駛室振動(dòng)劇烈。

3. 原樣車(chē)駕駛室參考點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)

為更進(jìn)一步檢測(cè)樣車(chē)駕駛室實(shí)際振動(dòng)情況，通過(guò)Vibrometer振動(dòng)測(cè)試計(jì)對(duì)樣車(chē)駕駛室內(nèi)方向盤(pán)上固定點(diǎn)（四輻方向盤(pán)上中位）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 原樣車(chē)振動(dòng)加速度檢測(cè)結(jié)果

方案優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)

1. 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置

為進(jìn)一步優(yōu)化樣車(chē)的懸置布置方式，考慮盡可能避免過(guò)定位問(wèn)題，將樣車(chē)的動(dòng)力總成懸置點(diǎn)數(shù)由6點(diǎn)更改為5點(diǎn)懸置。即兩個(gè)前懸置（發(fā)動(dòng)機(jī)左、右前懸置）和兩個(gè)后懸置（飛輪殼左、右后懸置）以及變速箱上一個(gè)輔助懸置。

雖然3點(diǎn)及4點(diǎn)懸置在汽車(chē)上的應(yīng)用最為普遍，但懸置點(diǎn)的數(shù)目增多將難以保證各點(diǎn)的受力均衡，當(dāng)車(chē)架變形時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)架失去順從性，使個(gè)別支點(diǎn)因發(fā)生錯(cuò)位而受力過(guò)大，反而影響可靠性。四點(diǎn)式懸置的穩(wěn)定性好，能克服較大的扭矩、反作用力，但扭轉(zhuǎn)剛度較大，不利于隔離低頻振動(dòng)。

5點(diǎn)式懸置一般用于中、重型汽車(chē)，因?yàn)槠浒l(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱總成的質(zhì)量和長(zhǎng)度太大，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后端面與飛輪殼結(jié)合面上產(chǎn)生過(guò)大的彎矩，不得不在變速箱上增加一個(gè)輔助支點(diǎn)，從而形成5點(diǎn)式懸置。因此，經(jīng)過(guò)再三思量，對(duì)優(yōu)化后的懸置選擇較為可靠的五點(diǎn)懸置方式。圖7是優(yōu)化后的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置圖。

2.優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)解耦分析

為進(jìn)一步從理論上尋找一定改善依據(jù)及分析對(duì)比性，為后期的持續(xù)改進(jìn)尋找一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化后的樣車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)布置方式進(jìn)行了重新校核、梳理以及解耦分析。優(yōu)化后的各懸置軟墊的結(jié)構(gòu)示意圖及解耦分析如圖8～11所示。

圖7 優(yōu)化后的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置圖

圖8 優(yōu)化后5點(diǎn)懸置結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 優(yōu)化后的5點(diǎn)懸置布置坐標(biāo)系

圖10 優(yōu)化后的5點(diǎn)懸置軟墊剛度值

圖11 優(yōu)化后樣車(chē)解耦率數(shù)據(jù)

圖12 優(yōu)化后樣車(chē)懸置實(shí)物布置圖

根據(jù)分析所得的解耦率，對(duì)比原樣車(chē)，可以明顯看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的頻動(dòng)及旋轉(zhuǎn)頻率即Tx、Ty、Tz、Rx、Ry、Rz均滿(mǎn)足解耦標(biāo)準(zhǔn)要求。由于懸置點(diǎn)在整車(chē)布置位置受限，同時(shí)部分懸置軟墊借用現(xiàn)有車(chē)輛資源，解耦的數(shù)據(jù)雖然滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是還有很大的提升空間。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的懸置實(shí)物布置如圖12所示。

3. 優(yōu)化后駕駛室參考點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)

為更進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析與實(shí)際改善效果的吻合度，再次通過(guò)Vibrometer振動(dòng)測(cè)試計(jì)對(duì)優(yōu)化后的駕駛室內(nèi)方向盤(pán)上固定點(diǎn)（四輻方向盤(pán)上中位）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖13所示，完全達(dá)到改善降低振動(dòng)的目標(biāo)。

圖13 優(yōu)化后樣車(chē)振動(dòng)加速度檢測(cè)結(jié)果

4.優(yōu)化方案及過(guò)程回顧

輕型商用車(chē)輛應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)的激振源無(wú)法改進(jìn)的情況下，優(yōu)化懸置布置方案，運(yùn)用隔振原件減小振動(dòng)傳遞是目前主機(jī)廠可進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)行之有效的方案之一。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的主要激振力頻率是兩倍于轉(zhuǎn)速頻率的二次往復(fù)慣性力和傾覆力矩。運(yùn)用隔振方法可使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的主要激振力向車(chē)架結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)減小。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊的設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是選取合適的剛度和阻尼，以減小絕對(duì)傳遞率，即傳到車(chē)架上的力與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的二次往復(fù)慣性力或傾覆力矩之比盡可能小。從振動(dòng)理論可知，如果發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊足夠軟，則除共振頻率附近外，發(fā)動(dòng)機(jī)只向車(chē)架結(jié)構(gòu)傳遞很小的力。但是懸置軟墊如果非常軟，產(chǎn)生的效果是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大的靜位移和振幅，同時(shí)只有在高于√2倍發(fā)動(dòng)機(jī)共振頻率才有隔振效果。因此，對(duì)于怠速下的振動(dòng)隔離，可以考慮限制發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大的靜位移和振幅條件下，減小發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度。

對(duì)于本優(yōu)化來(lái)說(shuō)，其宗旨也是在動(dòng)力總成的分配布置以及懸置軟墊的剛度上著手。通過(guò)對(duì)樣車(chē)的使用環(huán)境及載荷情況考量，綜合6點(diǎn)懸置與5點(diǎn)懸置的優(yōu)劣，最終選取比較合理且能滿(mǎn)足車(chē)輛正常載重的懸置布置方案。同時(shí)在做模態(tài)數(shù)據(jù)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)懸置軟墊的剛度值均偏大，造成解耦率比較差，因此，優(yōu)化的重心就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置軟墊剛度重新調(diào)整匹配。

事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)懸置優(yōu)化布置以及合理調(diào)整懸置軟墊剛度后，實(shí)車(chē)檢測(cè)，測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度得到明顯降低，目測(cè)駕駛室座椅以及后視鏡，均無(wú)主觀感覺(jué)上的明顯振動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)輕型載重貨車(chē)來(lái)說(shuō)，駕駛室振動(dòng)的原因是由于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)橫向振動(dòng)衰減不夠引起的。應(yīng)用傳遞路徑分析方法進(jìn)行分析、優(yōu)化懸置設(shè)計(jì)可有效降低整車(chē)振動(dòng)，且成本變差不大，同時(shí)應(yīng)當(dāng)采取有效的措施控制懸置軟墊的邵氏硬度以及控制發(fā)動(dòng)機(jī)怠速范圍，將是行之有效的減輕駕駛室怠速振動(dòng)的措施。