劉春暉

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

近年來，國內(nèi)商用車發(fā)展迅速，著名品牌有重汽、陜汽、紅巖、福田等。載重量從輕型、中型到重型的不同產(chǎn)品均有多個(gè)系列，商用車的產(chǎn)量和銷量逐年增加，質(zhì)量和各方面性能也得到不斷提高。但是與乘用車相比，國內(nèi)商用車的技術(shù)很多方面相對(duì)落后，特別是在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造上與乘用車的差距很大，尤其在乘坐舒適性方面與客戶期望的要求還有較大差距。因此，提高商用車的舒適性已成為國內(nèi)外汽車行業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理領(lǐng)域，盲源分離的算法研究才剛剛起步，其應(yīng)用也僅僅局限于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，但還沒有成為一門成熟的技術(shù)。國外的某些商用車將機(jī)械振動(dòng)和聲音信號(hào)混合后，通過BSS將機(jī)械振動(dòng)源和聲源分離，并將其應(yīng)用于工業(yè)用泵的診斷分析。在這方面，國外的某些研究機(jī)構(gòu)的研究取得了一些可喜的成果[1]。國外另一知名研究機(jī)構(gòu)的GELLE等人，利用其團(tuán)隊(duì)的多年研究經(jīng)驗(yàn)，基于兩個(gè)小型直流電動(dòng)機(jī)，采用卷積模型進(jìn)行振動(dòng)分析研究，通過模擬商用車懸置系統(tǒng)的模擬研究取得了較大的研究進(jìn)展，證明了可以通過盲源分離分開兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度和一部分諧振頻率，提高了商用車的舒適性。ROAN團(tuán)隊(duì)將獨(dú)立分量分析（Independent Component Analysis, ICA）作為一種全新的非線性自適應(yīng)算法進(jìn)行大型車駕駛室前懸置系統(tǒng)的故障分析。通過最大化方法研究齒輪振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)BSS方法無法分離齒輪振動(dòng)信息，從而在一定程度上得出商用車懸置系統(tǒng)隔振效果，但指出通過學(xué)習(xí)曲線，能夠進(jìn)行大型車算法故障檢測(cè)所引發(fā)的沖擊和數(shù)值變化，為進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究打好基礎(chǔ)。

1 駕駛室振動(dòng)和噪聲原因

提高商用車乘坐舒適性的關(guān)鍵是解決商用車行駛中駕駛室的振動(dòng)和噪聲問題。駕駛室振動(dòng)主要由路面隨機(jī)激勵(lì)和動(dòng)力總成激勵(lì)引起，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的周期性波動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)不平衡慣性力通過駕駛室壁板的振動(dòng)產(chǎn)生輻射噪聲。路面隨機(jī)激勵(lì)經(jīng)車輪、車架和懸置系統(tǒng)的傳遞與總成激勵(lì)振動(dòng)相互影響耦合[2]。因此，駕駛室的振動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的多振源耦合振動(dòng)。

2 信號(hào)的盲源分離

信號(hào)的盲源分離（Blind Source Separation,BSS）是指在信號(hào)源的基本信息（比如信號(hào)的數(shù)目、所在的位置）暫時(shí)不明確的前提下，只依據(jù)一組傳感器所獲取的信號(hào)。因?yàn)槠淅碚搩r(jià)值重要，并且具有廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)理論研究數(shù)量逐年增加。BSS在很多學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在語音信號(hào)處理領(lǐng)域、超聲波測(cè)試、生物信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，涌現(xiàn)了大量優(yōu)秀的盲源分離算法。然而，在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)于盲源分離的算法研究才剛剛起步，其應(yīng)用也僅局限于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，基于盲源分離的減振和緩沖及降噪技術(shù)研究目前尚少有文獻(xiàn)報(bào)道。

3 駕駛室的振動(dòng)與整車振動(dòng)密不可分

因此，駕駛室懸置系統(tǒng)隔振參數(shù)的優(yōu)化包括懸置系統(tǒng)自身對(duì)振源激勵(lì)響應(yīng)的優(yōu)化和整車環(huán)境下各懸置系統(tǒng)之間的匹配優(yōu)化。通過ADAMS軟件和ANSYS軟件建立整車懸置系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)底盤懸置、總成懸置進(jìn)行綜合匹配優(yōu)化，獲取可靠參數(shù)，獲取駕駛室懸置系統(tǒng)的最佳隔振性能技術(shù)參數(shù)，為懸置系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和減振降噪改造提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，課題的研究具有重要工程實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振問題進(jìn)行研究，將盲源分離技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)與動(dòng)力學(xué)建模仿真技術(shù)綜合應(yīng)用到商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)[3]。以某型商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振特性為研究對(duì)象，研究商用車整車路譜振動(dòng)信號(hào)的盲源分離方法，識(shí)別駕駛室在各種路況和車速下的激勵(lì)振源特征信息，結(jié)合對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)分析，探明振源激勵(lì)與駕駛室懸置系統(tǒng)各階模態(tài)之間的響應(yīng)規(guī)律以及駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振特性，為懸置系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。通過ADAMS軟件建立駕駛室懸置系統(tǒng)模型和整車多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行整車環(huán)境下的駕駛室振動(dòng)響應(yīng)和懸置系統(tǒng)隔振特性動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化匹配懸置系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，獲得駕駛室懸置系統(tǒng)的最佳隔振技術(shù)參數(shù)，為懸置系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，解決商用車行駛中駕駛室的振動(dòng)與噪聲較大問題，改善駕駛室的平順性和舒適性，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

4 駕駛室懸置平順性試驗(yàn)

為了改善常見某重型商用車的懸置系統(tǒng)的隔振問題，我們采用了該車型典型駕駛室懸置系統(tǒng)的一套駕駛室懸置系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。前懸置的高度閥可以通過沖放氣囊彈簧內(nèi)的氣體來進(jìn)行高度的控制，在行車過程中振動(dòng)時(shí)可以控制駕駛室相對(duì)于車架的垂向位置，從而可以達(dá)到比較舒適的目的，駕駛室采用的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)駕駛室較小力量進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而方便更換后懸置和檢修發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

圖1中的駕駛室的前懸置采用左右對(duì)稱這種常見的“剪刀”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左右共同緩沖上下方向的彈力，上支架和駕駛室通過螺栓固定連接，下支架通過螺栓固定在車架上，空氣彈簧為懸置主要承載、緩和沖擊部件，垂直置于支架與擺臂之間，當(dāng)駕駛室兩側(cè)在正常行駛過程中上下跳動(dòng)量一致時(shí)，左右懸置間沒有相對(duì)的位移運(yùn)動(dòng)，橫向穩(wěn)定器在這種情況下也沒有載荷。

圖1 駕駛室前懸置結(jié)構(gòu)

圖2中，駕駛室后懸置結(jié)構(gòu)中的液壓鉸鎖能夠緩和駕駛室和后懸置各結(jié)構(gòu)部件間的沖擊能量，在關(guān)鍵位置安裝了橡膠襯墊用來避免緩沖部件和振動(dòng)部件剛性接觸。駕駛室內(nèi)駕駛員的靠背和駕駛員腳部地板處分別安裝了單向加速度傳感器，用來測(cè)量振動(dòng)時(shí)懸置的加速度。具有前翻功能的商用車駕駛室可繞前懸置翻轉(zhuǎn)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)的同時(shí)要求后置具備能斷開連接的功能。液壓系統(tǒng)的液壓鎖安裝在上支架和浮動(dòng)的橫梁之間，螺栓將液壓鎖和浮動(dòng)的橫梁固定為一體，懸置系統(tǒng)采用筒式減震器，并將其安裝于上下支架兩端之間。能夠起到緩沖減振作用，減振器能增加車身的橫向穩(wěn)定性，以便提高駕乘人員的舒適性。

圖2 駕駛室后懸置結(jié)構(gòu)

商用車的駕駛室懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和懸置元件所具有的力學(xué)性質(zhì)決定了懸置的振動(dòng)衰減能力（比如說在剛度和阻尼方面）。如果懸置的簧載質(zhì)量或非簧載質(zhì)量固有頻率、車架模態(tài)頻率，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛室懸置系統(tǒng)隔振性能，導(dǎo)致其舒適程度降低[5]。

目前國內(nèi)對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)隔振特性的研究，大部分都是針對(duì)乘用車進(jìn)行的，對(duì)商用車懸置隔振性能的研究起步相對(duì)較晚，還缺乏完善的分析和開發(fā)設(shè)計(jì)體系，研究主要集中在底盤懸置系統(tǒng)和動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)尤其是對(duì)基于整車模型的駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振特性研究還較少，產(chǎn)品存在駕駛室懸置系統(tǒng)與整車參數(shù)不匹配的問題，從而影響隔振性能。另外，將盲源分離的理論方法應(yīng)用于駕駛室懸置系統(tǒng)的隔振特性分析尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此，開展基于盲源分離的商用車駕駛室懸置系統(tǒng)隔振性能與參數(shù)優(yōu)化研究，對(duì)于提高商用車懸置系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)水平，改善商用車的舒適性和安全性，具有十分重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值[6]。

5 駕駛室懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

建立重型卡車整車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行分析，這種情況的工作量巨大、耗時(shí)長，同時(shí)不容易保證駕駛室的懸置系統(tǒng)方面的精度，在研究駕駛室懸置系統(tǒng)時(shí)，特別是在盲源分離進(jìn)行應(yīng)用研究時(shí)，大多數(shù)情況下，只需要將大型車駕駛室的前后懸置及駕駛室（包含附屬部件）的多體系納入考慮。圖3為商用車懸置系統(tǒng)的駕駛室與駕駛室結(jié)構(gòu)中的前后懸置位置關(guān)系的示意圖。

圖3 駕駛室懸置系統(tǒng)示意圖

6 駕駛室懸置仿真模型

駕駛室懸置模型的搭建采用通用基礎(chǔ)模塊和ADAMS/View軟件在汽車領(lǐng)域的專用模塊來建模。主要是通過模塊化的方法，將整車劃分為不同的子系統(tǒng)，對(duì)不同的子系統(tǒng)分別進(jìn)行建模處理。再拿各個(gè)子系統(tǒng)分別用來建立系統(tǒng)模板，進(jìn)行模塊全方位的分析，最后經(jīng)過通訊器的相關(guān)信息內(nèi)容進(jìn)行分析，相關(guān)部件裝配為整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，從而十分方便對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)的替換調(diào)試，從而測(cè)得其相關(guān)參數(shù)數(shù)值。駕駛室前后懸置ADAMS模型建立方法相同，后懸置中也基本等同于剛性不變形部件，彈性阻尼元件除外。后懸置模型如圖4所示。

圖4 后懸置模型

基于盲源分離的商用車駕駛系統(tǒng)使用的多體動(dòng)系統(tǒng)模型的建立涉及到大量參數(shù)，且都要經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)才能獲得，這樣才能用來保證仿真模型的精確性，檢測(cè)到的各參數(shù)比較精確，主要包括幾何、力學(xué)、質(zhì)量三個(gè)方面的參數(shù)。進(jìn)行盲源測(cè)試時(shí)得到的各幾何參數(shù)主要為各零部件的外形尺寸、關(guān)鍵固定、鉸接等約束施加點(diǎn)的硬點(diǎn)坐標(biāo)等方面的相關(guān)參數(shù)。力學(xué)參數(shù)包括氣囊彈簧的剛度、液壓減振器的阻尼系數(shù)以及力學(xué)元件的初始載荷、橡膠襯套的剛度等。質(zhì)量參數(shù)包括各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[7]。

7 水平和發(fā)展趨勢(shì)

目前盲源分離已經(jīng)應(yīng)用于通訊、生物醫(yī)學(xué)、語音識(shí)別等領(lǐng)域，并取得了很好的效果。然而，盲源分離仍然存在一些關(guān)鍵理論與實(shí)際困難需要進(jìn)一步研究。比如說，如果信號(hào)源個(gè)數(shù)未知、信號(hào)源個(gè)數(shù)多于測(cè)量信號(hào)個(gè)數(shù)的BSS。目前多通過稀疏矩陣的方法進(jìn)行這類模型的BSS，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量。主要通過欠定模型破除稀疏信號(hào)源的局限。在如何利用已有的知識(shí)來提高盲源分離算法的性能方面，線性卷積模型比線性瞬時(shí)模型更符合實(shí)際，各汽車商用車設(shè)計(jì)廠家的廣泛應(yīng)用，在這種情況下，需要將時(shí)域算法收斂的快慢和在頻域里幅值和排列不確定等問題解決，以便能得到更精確的參數(shù)。至于對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行BSS，目前的研究主要局限于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，然而在實(shí)際通信中，非穩(wěn)態(tài)信號(hào)往往比較常見。并且這種信號(hào)相對(duì)來說是十分復(fù)雜的。算法的通用性問題，現(xiàn)有的盲源分離算法都是針對(duì)某一領(lǐng)域問題進(jìn)行的研究，每種算法都在一定程度上取得了成功，但算法缺乏通用性，從而使應(yīng)用對(duì)象受到限制。

在運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中，像航空航天器（特別是發(fā)動(dòng)機(jī)）和車輛運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和試車過程中，運(yùn)動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)，特別是復(fù)雜的非平穩(wěn)微弱振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、提取與識(shí)別的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)受到行業(yè)研究人員的廣泛重視，借助于盲源分離技術(shù)的振動(dòng)信號(hào)提取是一個(gè)很有前途的新的工程信號(hào)處理技術(shù)。目前，研究人員正不斷地探討其各種不同的分離手段和對(duì)信號(hào)的分離算法。