趙濤

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

主題詞：載貨汽車 行駛抖動(dòng) 車架模態(tài) 駕駛室懸置系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)

1 前言

卡車的低頻行駛抖動(dòng)是指車輛在平滑路面上行駛時(shí)乘員所感受到的乘坐擾動(dòng)。卡車的振動(dòng)在平滑路面上比粗糙路面更傾向于展示振動(dòng)周期性，且乘員在粗糙路面上本來(lái)就期望車輛振動(dòng)[1]，因此平滑路面上的行駛抖動(dòng)更容易引起客戶抱怨。近年來(lái)隨著道路條件的極大改善和用戶對(duì)商用車NVH特性要求的不斷提高，商用車在平直良好的路面上的異常抖動(dòng)成為商用車面臨的重要問(wèn)題。根據(jù)近年來(lái)的文獻(xiàn)表述，抖動(dòng)主要表現(xiàn)形式為特定行駛速度下有規(guī)律的駕駛室垂直跳動(dòng)、前后俯仰振動(dòng)或橫向抖動(dòng)。當(dāng)這些振動(dòng)發(fā)生在用戶常用車速范圍內(nèi)，引起用戶的感覺(jué)極為不適，使用戶對(duì)卡車的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面印象，而且會(huì)使易損貨物產(chǎn)生損壞，從而引發(fā)用戶退車。

由于卡車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，普遍裝配的輪胎均勻性較差，存在較大的激勵(lì)。這些激勵(lì)會(huì)通過(guò)板簧懸架、車架及駕駛室懸置傳遞到駕駛室地板和座椅，使駕乘人員感受到振動(dòng)。同時(shí)卡車板簧懸架系統(tǒng)、車身懸置系統(tǒng)的模態(tài)及車架的彈性體模態(tài)等多個(gè)模態(tài)頻率都處于0～10 Hz的低頻范圍，很容易被車輪激勵(lì)激發(fā)，引起整車低頻異常抖動(dòng)。

2 卡車低頻行駛抖動(dòng)的激勵(lì)源

卡車的激勵(lì)源是多方面的，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)、傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)、車輪激勵(lì)及路面不平度引起的隨機(jī)激勵(lì)等。傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率通常為車輪總成的激勵(lì)頻率的數(shù)倍以上。引起卡車低頻抖動(dòng)的問(wèn)題通常為車輪總成的激勵(lì)，文獻(xiàn)[2]通過(guò)控制車輪總成的動(dòng)平衡和徑跳解決了重型牽引車車速70 km/h行駛時(shí)，振動(dòng)頻率5.5 Hz抖動(dòng)問(wèn)題。文獻(xiàn)[3-7]研究表明車輪總成的激勵(lì)是引起整車低頻抖動(dòng)的激勵(lì)源。車輪總成的激勵(lì)主要有車輪總成的不平衡、車輪總成由制造誤差引起的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)、輪轂制動(dòng)鼓不平衡以及車輪安裝在輪轂上的定位精度低，這些都會(huì)隨車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)整車產(chǎn)生激勵(lì)。

3 懸架系統(tǒng)對(duì)卡車行駛抖動(dòng)的影響

卡車懸架系統(tǒng)大都采用鋼板彈簧懸架，板簧懸架的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。但由于國(guó)內(nèi)板簧懸架需要考慮超載等因素，普遍增加懸架的剛度，導(dǎo)致整車偏頻較高，文獻(xiàn)[3]中某重型卡車的后懸架振動(dòng)頻率達(dá)到了4.5 Hz。當(dāng)車輪的激勵(lì)頻率與懸架偏頻重合時(shí)引起整車抖動(dòng)。當(dāng)前懸架共振時(shí)通常駕駛員感覺(jué)是垂直跳動(dòng)。當(dāng)后懸架共振時(shí)，在短軸距的載貨汽車上，振動(dòng)極容易傳遞到駕駛室，駕駛員通常會(huì)感覺(jué)到一定程度的俯仰振動(dòng)。

對(duì)于該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究工作。趙敬義等針對(duì)某重型卡車在車速55 km/h行駛時(shí)垂向異常抖動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題的頻率為4.5 Hz，激勵(lì)源為輪胎的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，車架的振動(dòng)譜振存在兩個(gè)分別為2.8 Hz和4.5 Hz的固有頻率，4.5 Hz為懸架的后偏頻。由于后懸架不能改動(dòng)，通過(guò)對(duì)中后橋的加工、裝配精度和輪轂、制動(dòng)鼓及輪胎總成的動(dòng)不平衡量進(jìn)行了限制，前懸架剛度增大15%，增大前減振器阻尼1倍，駕駛室懸置剛度降低50%，問(wèn)題改善到可以接受的程度[3]。牛恩拂針對(duì)載貨車在車速40～50 km/h行駛時(shí)駕駛室強(qiáng)烈振動(dòng)的問(wèn)題，建立了整車有限元模型，確定了車輪不平衡是主要原因，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法對(duì)前后懸架的剛度和阻尼參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)匹配[4]。楊年炯對(duì)某商用車在車速55～60 km/h行駛時(shí)的駕駛室振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)TPA分析發(fā)現(xiàn)板簧固有頻率與激勵(lì)頻率重合是主要原因。通過(guò)降低后板簧剛度使其由2.5 Hz降低到2.0 Hz，問(wèn)題得到解決[5]。王杰等對(duì)某輕型商用車勻速行駛在平直路面上時(shí)，車速38 km/h和60 km/h時(shí)出現(xiàn)的規(guī)律性的上下和前后振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)探討。車速38 km/h時(shí)的振動(dòng)主要是簧上偏頻共振引起，通過(guò)改善減振器，改變板簧剛度，控制輪胎動(dòng)平衡等，問(wèn)題得到解決[6]。左丙發(fā)等對(duì)某中型6×2貨車在平直路面上駕駛室出現(xiàn)的有規(guī)律的上下抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試和分析，證明車輛異常抖動(dòng)的主要影響因素是車輪及輪胎總成的軸向、徑向尺寸跳動(dòng)量，動(dòng)不平衡量，以及駕駛室懸置的方式和鋼板彈簧的剛度。通過(guò)優(yōu)化車輪總成參數(shù)、改變駕駛室懸置安裝方式，降低一橋和二橋鋼板彈簧的剛度來(lái)改變車輛各零部件固有頻率的重疊，從而達(dá)到降低車輛抖動(dòng)的效果[7]。

對(duì)于懸架系統(tǒng)共振引起的卡車抖動(dòng)問(wèn)題的改進(jìn)措施主要是降低板簧懸架的剛度、調(diào)整減振器的阻尼、降低車輪總成的激勵(lì)。通常當(dāng)懸架系統(tǒng)的偏頻小于2 Hz時(shí)，車輪在低速下的激勵(lì)較小，難以激起懸架系統(tǒng)的共振。

4 車架對(duì)卡車行駛抖動(dòng)的影響

卡車車架集成了懸架、動(dòng)力總成、駕駛室、貨箱及各種動(dòng)力附件等，是承載卡車載荷的最重要部件。文獻(xiàn)[8]針對(duì)重型牽引車進(jìn)行了研究，結(jié)果表明車架剛度對(duì)整車行駛平順性有較大影響。文獻(xiàn)[1]研究表明，車架在整車約束狀態(tài)下的一階頻率通常不超過(guò)10 Hz。文獻(xiàn)[9]中某輕車的車架一、二階扭轉(zhuǎn)和垂向、橫向一階彎曲均在10 Hz以下。車架的模態(tài)隨貨車的載貨量增加而降低，當(dāng)車輪激勵(lì)與車架的固有頻率重合時(shí)會(huì)引起整車振動(dòng)。通常激發(fā)整車抖動(dòng)的車架模態(tài)為車架的一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)針對(duì)車架對(duì)卡車行駛抖動(dòng)的影響也多有研究。張瑞先針對(duì)某輕卡在55～60 km/h車速行駛時(shí)，駕駛室出現(xiàn)較明顯上下抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行整車CAE分析和實(shí)車驗(yàn)證，得到結(jié)論為：加強(qiáng)駕駛室結(jié)構(gòu)、提高駕駛室懸置剛度，故障車的振動(dòng)有明顯改善，但問(wèn)題并未消除；改變前后簧的剛度（前簧降低16%，后簧降低36%），車輛振動(dòng)無(wú)改善；更換端跳和徑跳符合要求的輪胎總成后，車輛抖動(dòng)問(wèn)題消除，更換端跳大的輪輞（端跳值為2.2 mm）后車輛出現(xiàn)橫擺，更換更大徑跳（徑跳值為2.3 mm）的輪輞后車輛出現(xiàn)縱擺[10]。劉大維等對(duì)某自卸車在60 km/h時(shí)行駛產(chǎn)生的橫向抖動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，找出了該自卸車產(chǎn)生異常抖動(dòng)原因?yàn)檐囕啿黄胶庖鹆塑嚰艿?階、2階固有頻率，與車架產(chǎn)生共振，使車輛產(chǎn)生異常橫向抖動(dòng)[11]。傅春宏等對(duì)某中型卡車車速在40 km/h時(shí)產(chǎn)生的駕駛室異常振動(dòng)，通過(guò)有限元分析和道路試驗(yàn)相結(jié)合，得出車輪產(chǎn)生的搖振頻率與整車的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率相近產(chǎn)生了共振[12]。東風(fēng)商用車技術(shù)中心時(shí)磊針對(duì)某卡車在車速57 km/h出現(xiàn)的低頻5.4 Hz的駕駛室異常振動(dòng)的問(wèn)題，進(jìn)行了常規(guī)振動(dòng)試驗(yàn)和整車模態(tài)試驗(yàn)，得出該問(wèn)題為車架整體一階彎曲引起。論文指出通過(guò)增加車架與車廂副梁的連接剛度來(lái)提高整車的彎曲剛度，能夠使乘坐舒適性提高，由于成本增加較大未采用。通過(guò)降低兩個(gè)前橋鋼板彈簧剛度，增大阻尼比100%，改進(jìn)效果不明顯。將駕駛室懸置由半浮式改為全浮式后，振動(dòng)加速度幅值由1.8m/s2降低為0.3m/s2，達(dá)到主觀可以接受的程度[13]。張謀武等針對(duì)某載貨汽車車速50 km/h時(shí)出現(xiàn)的駕駛室異常振動(dòng)問(wèn)題，建立了有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析。結(jié)合仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引起駕駛室異常振動(dòng)的原因是車輪的轉(zhuǎn)頻5.57 Hz與整車一階彎曲模態(tài)頻率5.49 Hz接近從而發(fā)生共振。通過(guò)對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)修改，在車架前段增加2 mm厚襯梁，使得振動(dòng)幅值降低90%[14]。胡溧等對(duì)某商用車車速45 km/h時(shí)發(fā)生的駕駛室異常抖動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)偏頻試驗(yàn)、道路平順性試驗(yàn)、駕駛室懸置的隔振率測(cè)試，結(jié)合頻譜分析和相干分析及有限元分析，得出車輪的激振頻率與駕駛室的固有頻率和車架的一階模態(tài)節(jié)接近，導(dǎo)致共振。通過(guò)改進(jìn)激勵(lì)源，消除該異常振動(dòng)現(xiàn)象[15]。

通常由于車架彎曲振動(dòng)的改進(jìn)措施不多，對(duì)現(xiàn)有車輛的改進(jìn)通常為增大車架前段縱梁的剛度或貨箱副梁的彎曲剛度，以及車架與貨箱副梁的連接剛度。通常貨箱與車架之間連接方式對(duì)車架的模態(tài)有影響。車架上固定安裝的車廂會(huì)提高整車的彎曲剛度和模態(tài)頻率[16]。車架前端沒(méi)有貨箱縱梁加強(qiáng)，貨箱副梁前端車架縱梁處在彎曲振動(dòng)中形成節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)表明車架與車廂副梁之間用橡膠墊隔離時(shí)會(huì)降低車架與副梁連接在一起的整體剛度，降低整車抖動(dòng)車速。車輛在開(kāi)發(fā)后期遇到車架共振引起的行駛抖動(dòng)問(wèn)題時(shí)，普遍沒(méi)有低成本的解決方案。在大規(guī)模生產(chǎn)中提出車輪激勵(lì)的較高控制標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有加工水平下，往往導(dǎo)致一定的廢品率，增加成本。通過(guò)大幅度改進(jìn)車架剛度來(lái)消除振動(dòng)往往不現(xiàn)實(shí)，通過(guò)改進(jìn)懸架剛度效果不明顯，改進(jìn)駕駛室懸置剛度對(duì)減小該類抖動(dòng)有一定程度的降低，由于車架存在共振，問(wèn)題很難徹底消除。車架發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，車架的前端的振動(dòng)相對(duì)較大，通常駕駛室前懸置布置在車架最前端，因此駕駛室前懸置對(duì)車架振動(dòng)的傳遞有重要影響。如果駕駛室前懸置是橡膠懸置，受到橡膠懸置的結(jié)構(gòu)限制普遍沒(méi)有好的解決方案。前懸置可以采用螺簧懸置或液壓懸置等結(jié)構(gòu)通過(guò)減小剛度和增大阻尼的方法來(lái)在一定程度上解決。由于車架承載著駕駛室、動(dòng)力總成、懸架、貨箱及各種附件，這些部件集成在車架上，對(duì)車架的模態(tài)有重要影響。只分析車架本身的模態(tài)不能精確預(yù)測(cè)車架是否會(huì)發(fā)生共振，需要建立整車模型對(duì)車架的彎曲或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)做分析預(yù)測(cè)。

5 駕駛室懸置系統(tǒng)對(duì)整車抖動(dòng)的影響

駕駛室及其懸置系統(tǒng)存在六階剛體模態(tài)，通常垂直、俯仰等模態(tài)都處于10 Hz以下，當(dāng)懸置系統(tǒng)頻率配置不合理時(shí)，容易引起車輛抖動(dòng)。由于卡車駕駛室本身需要通過(guò)前部打擊、頂壓等碰撞法規(guī)，普遍剛度較高，本身的彈性體模態(tài)遠(yuǎn)高于車輪的一階激勵(lì)頻率，不會(huì)被激發(fā)出來(lái)。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)針對(duì)駕駛室懸置對(duì)卡車行駛抖動(dòng)的影響也多有研究。白云志等對(duì)某重型卡車在良好路面上車速為40～60 km/h行駛時(shí)駕駛室出現(xiàn)的上下方向和左右方向的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試和分析，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的互功率譜密度分析和相關(guān)性函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，駕駛室抖動(dòng)的問(wèn)題原因?yàn)檐嚇虻牟黄胶夂婉{駛室懸置的減振效果不理想。通過(guò)降低前后駕駛室懸置剛度和阻尼，利用ADAMS動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證，振動(dòng)幅值降低69.9%[17]。宣海軍對(duì)某型重卡行駛車速在67 km/h時(shí)整車上下抖動(dòng)明顯問(wèn)題進(jìn)行了分析改進(jìn)，利用FTA故障樹(shù)分析方法，分析得到問(wèn)題的原因?yàn)檐囕啿黄胶庖鸬恼駝?dòng)頻率與駕駛室剛體模態(tài)頻率重合。通過(guò)對(duì)輪輞徑跳、輪輞端跳，車輪動(dòng)平衡的改進(jìn)，最終主觀評(píng)價(jià)無(wú)明顯抖動(dòng)，問(wèn)題解決[18]。盛云等對(duì)中型貨車在35～40 km/h車速出現(xiàn)的駕駛室異常共振問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試和分析發(fā)現(xiàn)駕駛室后左懸置對(duì)車橋傳遞至駕駛室的低頻振動(dòng)起到極大的放大作用，是駕駛室內(nèi)產(chǎn)生異常共振的主要原因，更換懸置后振動(dòng)消除[19]。郭福祥等針對(duì)某輕卡車速在62 km/h左右行駛時(shí)駕駛室存在的6.8 Hz的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)駕駛室橡膠懸置系統(tǒng)的固有頻率和解耦特性進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試，優(yōu)化后駕駛室振動(dòng)加速度幅值被削減了32%，振動(dòng)改善明顯[20]。唐良兵等對(duì)某商用車車速在65 km/h左右出現(xiàn)的駕駛室異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究表明車輪產(chǎn)生的激勵(lì)頻率與駕駛室的固有頻率相接近導(dǎo)致共振。通過(guò)優(yōu)化懸置參數(shù)解決問(wèn)題[21]。

對(duì)于車身系統(tǒng)匹配引起的卡車行駛抖動(dòng)問(wèn)題的改進(jìn)措施主要是調(diào)整駕駛室懸置系統(tǒng)的垂向、俯仰等模態(tài)頻率。對(duì)于橡膠懸置系統(tǒng)，需要合理的配置懸置系統(tǒng)的頻率，提高懸置的隔振率。采用全浮式螺簧懸置或氣囊懸置結(jié)構(gòu)的駕駛室懸置系統(tǒng)，其頻率通常處于較低的頻率范圍，文獻(xiàn)[22]中全浮駕駛室的垂直頻率只有1.4 Hz，俯仰頻率為1.6 Hz。因此該類駕駛室懸置系統(tǒng)在水平路面上很難被車輪總成一階激勵(lì)激發(fā)出來(lái)。

6 結(jié)論

本文對(duì)載貨汽車行駛抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的闡述。降低或消除行駛抖動(dòng)問(wèn)題的措施主要有：降低車輪總成的一階激勵(lì)；改變懸架系統(tǒng)剛度，優(yōu)化車架在整車約束狀態(tài)下的彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率，避開(kāi)車輪的激勵(lì)頻率；優(yōu)化駕駛室懸置軟墊剛度，通過(guò)隔振措施來(lái)降低振動(dòng)感受。

引起低頻車輛抖動(dòng)的根本原因是車輪及輪胎總成的徑向跳動(dòng)、端跳以及總成裝配精度超差引起的異常振動(dòng)。加強(qiáng)車輪及輪胎總成的質(zhì)量控制是必要因素，懸架、車架、駕駛室優(yōu)化很重要，需要同步考慮。