王曉宏 董志鴻 林文干 陳文博

東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院 湖北武漢 430057

1 前言

在當(dāng)前競爭激烈的汽車市場(chǎng)上，同檔次車型在常規(guī)性能方面的綜合“性價(jià)比”越來越接近，因此提高車輛的駕乘舒適性成為新的競爭焦點(diǎn)，其中NVH占據(jù)主要地位。NVH不僅是影響車輛舒適性的重要因素，也是評(píng)價(jià)其質(zhì)量品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，涉及車輛的振動(dòng)噪聲問題已經(jīng)成為汽車技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。

輕卡采用氣動(dòng)剎車系統(tǒng)，為其提供氣源的打氣泵為單缸活塞結(jié)構(gòu)，其工作時(shí)候產(chǎn)生較大的周期激勵(lì)。在頻率規(guī)劃中，打氣泵激勵(lì)頻率主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛室Z向跳動(dòng)頻率，同時(shí)需與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速一階頻率合理分離，防止拍頻問題出現(xiàn)。

8.3 Hz低頻振動(dòng)在人體比較敏感的振動(dòng)頻率區(qū)間內(nèi)，根據(jù)GB/T 13442-92《人體全身振動(dòng)暴露的舒適性降低界限和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》規(guī)定，人體在8.3 Hz振動(dòng)環(huán)境中能保持24 h舒適性的振動(dòng)幅值應(yīng)該小于0.045 m/s2，而在此頻率下達(dá)到使人完全感受不到的振動(dòng)幅值有更嚴(yán)苛的要求。

2 問題現(xiàn)象描述和振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

某款輕型貨車主觀評(píng)價(jià)怠速工況低頻振動(dòng)較大，主要表現(xiàn)在大腿晃動(dòng)幅度較大，使人感受極不舒服，主觀評(píng)價(jià)不可接受。

針對(duì)以上現(xiàn)象，在車輛定置狀態(tài)測(cè)試怠速工況下主駕地板振動(dòng)數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 原始狀態(tài)怠速工況主駕地板振動(dòng)頻譜

由圖1可以看到，怠速工況下主駕地板在8.3 Hz振動(dòng)水平達(dá)到0.14 m/s2（主要是Z向），而主駕地板怠速8.3 Hz振動(dòng)目標(biāo)值為≤0.05 m/s2，顯然怠速地板Z向振動(dòng)沒有達(dá)到目標(biāo)，所以以下分析主要是研究Z向振動(dòng)。

3 問題分析

尋找怠速8.3 Hz的激勵(lì)源，發(fā)現(xiàn)用于氣制動(dòng)的打氣泵裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，曲軸和打氣泵的速比為0.667，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速750 r/min，打氣泵激勵(lì)頻率f通過以下公式計(jì)算，其中c是打氣泵與曲軸的速比，n是發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速。

主駕地板怠速8.3 Hz的振動(dòng)問題從源、路徑、響應(yīng)的思路分析，振動(dòng)源方面需要降低打氣泵的振動(dòng)水平，或者是改變發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速來改變打氣泵的怠速激勵(lì)頻率；傳遞路徑方面有駕駛室懸置軟墊剛度參數(shù)優(yōu)化改變剛體模態(tài)頻率，車架模態(tài)頻率優(yōu)化，動(dòng)力總成懸置軟墊剛度參數(shù)優(yōu)化改變剛體模態(tài)頻率，解析思路見表1。

表1 怠速8.3 Hz振動(dòng)解析思路

3.1 打氣泵振動(dòng)優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪或者皮帶驅(qū)動(dòng)打氣泵的曲軸，以驅(qū)動(dòng)連桿活塞機(jī)構(gòu)泵送空氣，注入的氣體通過管道引入儲(chǔ)氣罐。打氣泵在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的激勵(lì)力，頻率為8.3 Hz，理論上降低打氣泵工作時(shí)的激勵(lì)力，對(duì)改善怠速振動(dòng)有好處。

目前為了降低打氣泵激勵(lì)力，大部分廠家通過把打氣泵的連桿活塞機(jī)構(gòu)材料由鐵改為鋁，這樣不僅可以降低打氣泵的激勵(lì)力，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化也有好處。

更換鋁連桿打氣泵后的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2，可以看到鐵連桿打氣泵怠速發(fā)動(dòng)機(jī)端振動(dòng)最大達(dá)到0.47 m/s2，鋁連桿打氣泵怠速發(fā)動(dòng)機(jī)端振動(dòng)最大為0.19 m/s2，鋁連桿打氣泵激勵(lì)力遠(yuǎn)小于鐵連桿打氣泵激勵(lì)力。

表2 鐵連桿和鋁連桿振動(dòng)對(duì)比表

考察主駕地板振動(dòng)水平見圖2，為發(fā)動(dòng)機(jī)0.667階振動(dòng)掃頻曲線，其中紅色為鐵連桿打氣泵，綠色為鋁連桿打氣泵，可以看出換鋁連桿打氣泵后主駕地板振動(dòng)水平下降明顯。

圖2 鐵連桿和鋁連桿主駕地板發(fā)動(dòng)機(jī)0.667階振動(dòng)掃頻曲線對(duì)比

3.2 整車VTF仿真

換裝鋁合金連桿打氣泵后雖然主駕地板振動(dòng)水平大幅下降，但是還沒有達(dá)到振動(dòng)客觀目標(biāo)值，主觀感受仍然不可接受。分析圖2的振動(dòng)曲線，要想進(jìn)一步降低怠速（750 r/min）振動(dòng)水平，需要提高系統(tǒng)共振頻率，即振動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要繼續(xù)提高。

為了進(jìn)一步提高傳遞路徑的共振頻率，嘗試調(diào)整駕駛室懸置軟墊剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊剛度及車架加強(qiáng)方案。通過整車VTF仿真分析，考察在相同的激勵(lì)下，主駕地板和主駕座椅安裝點(diǎn)處的振動(dòng)響應(yīng)，找出影響駕駛室抖動(dòng)的關(guān)鍵因素，提供參考方向。圖3為整車模型。

圖3 整車模型

做整車VTF仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)置激勵(lì)力為1 g，激勵(lì)方式為上下0～20 Hz掃頻，激勵(lì)點(diǎn)為動(dòng)力總成正下方，響應(yīng)點(diǎn)為主駕地板和主駕座椅安裝點(diǎn)，見圖4。

圖4 VTF仿真計(jì)算時(shí)的激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)

首先通過改變駕駛室的前后懸置軟墊剛度計(jì)算整車VTF（見圖5），可以看到當(dāng)駕駛室懸置軟墊剛度增加30%和減小30%時(shí)，整車VTF曲線在6～9 Hz的共振頻率基本沒有發(fā)生變化，所以可以看到駕駛室剛體模態(tài)對(duì)其懸置軟墊剛度的變化并不敏感，同時(shí)也可以說明主駕地板怠速8.3 Hz的振動(dòng)問題通過優(yōu)化駕駛室懸置這條路徑不可實(shí)現(xiàn)。

圖5 改變駕駛室懸置軟墊剛度前后整車VTF曲線對(duì)比

通過改變車架縱梁的局部剛度從而達(dá)到改變車架模態(tài)后計(jì)算整車VTF（見圖6），可以看到改變車架模態(tài)后整車VTF 曲線在6～9 Hz的共振頻率沒有發(fā)生變化，說明主駕地板怠速8.3 Hz的振動(dòng)問題通過優(yōu)化車架模態(tài)這條路徑不可實(shí)現(xiàn)。

圖6 車架縱梁局部加強(qiáng)方案整車VTF曲線對(duì)比

通過改變動(dòng)力總成的前后懸置軟墊剛度計(jì)算整車VTF（見圖7），可以看到當(dāng)動(dòng)力總成懸置軟墊剛度增加30%和減小30%時(shí)，整車VTF 曲線在6～9 Hz的共振頻率時(shí)會(huì)發(fā)生很大的變化，所以可以看到動(dòng)力總成剛體模態(tài)對(duì)其懸置軟墊剛度的變化非常敏感，同時(shí)也說明主駕地板怠速8.3 Hz的振動(dòng)問題可以通過優(yōu)化動(dòng)力總成懸置這條路徑來實(shí)現(xiàn)。

圖7 改變動(dòng)力總成懸置軟墊剛度前后整車VTF曲線對(duì)比

繼續(xù)優(yōu)化動(dòng)力總成懸置剛度，找到一個(gè)合適的剛度值，使共振頻率避開8.3 Hz，優(yōu)化結(jié)果見圖8。

圖8 優(yōu)化動(dòng)力總成懸置軟墊剛度避開8.3Hz共振

通過以上VTF分析優(yōu)化動(dòng)力總成懸置參數(shù)，在現(xiàn)有軟墊剛度的基礎(chǔ)上增加前后懸置軟墊剛度，通過裝車評(píng)價(jià)測(cè)試，找到一組振動(dòng)狀態(tài)最好的剛度值，見表3。

表3 動(dòng)力總成懸置動(dòng)剛度優(yōu)化前后對(duì)比 單位:N/mm

4 改進(jìn)驗(yàn)證

優(yōu)化打氣泵激振力和動(dòng)力總成懸置后主駕地板振動(dòng)對(duì)比數(shù)據(jù)見圖8，可以看到怠速8.3 Hz振動(dòng)水平由原來的0.14 m/s2降低到0.04 m/s2，同時(shí)可以看到怠速發(fā)動(dòng)機(jī)2階25 Hz振動(dòng)水平有所提高，但是在0.1 m/s2的目標(biāo)范圍內(nèi)，改善明顯，主觀評(píng)價(jià)較好。

圖9 優(yōu)化后主駕地板發(fā)動(dòng)機(jī)0.667階振動(dòng)掃頻曲線對(duì)比

5 結(jié)語

首先，此車怠速8.3 Hz振動(dòng)源是打氣泵激勵(lì)，通過把打氣泵連桿材料由鐵改為鋁可以減小打氣泵的振動(dòng)輸入。

其次，整車VTF仿真分析可以快速有效地找到影響駕駛室抖動(dòng)的關(guān)鍵因素，為怠速振動(dòng)的改善提供改進(jìn)方向。

最后，商用車制動(dòng)形式一般為氣制動(dòng)，在懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)和打氣泵的激勵(lì)頻率合理避頻，這對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出更高的要求。