王成文，谷吉海，龐 明，金向陽，高 翔

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，哈爾濱150028)

乘坐舒適性是現(xiàn)代車輛主要性能指標(biāo)之一，它直接影響人車系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性和行駛安全性[1].駕駛室振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)是研究車輛平順性的重要方法，也是評(píng)價(jià)車輛平順性好壞的有效手段.近年來，由于計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，為車輛的試驗(yàn)研究提供了高效的測(cè)試手段.車輛可以在試制后，對(duì)其平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果存在問題可以對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以改善車輛的平順性[2].本文針對(duì)某商用卡車的振動(dòng)異常狀況對(duì)駕駛室進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，找出振動(dòng)的主要原因，并提出改進(jìn)建議.

1 實(shí)車路測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)路面:B級(jí)路面(瀝青路).

試驗(yàn)車速:45、60、75、90 km/h.常用車速:60 km/h.

汽車載荷:帶掛空載、駕駛室人員3人(75 kg/人).

試驗(yàn)設(shè)備:LMS聲振測(cè)試儀(32通道)、三向加速度傳感器9個(gè)、坐墊傳感器1個(gè)、聯(lián)想thinkpad W510筆記本電腦1臺(tái)、LMSTest Xpress軟件1套、Matlab軟件1套.

采樣頻率:200 Hz.

采樣時(shí)間:120 s.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在上述條件下進(jìn)行，車輛勻速直線行駛，每個(gè)速度下采集120 s的加速度數(shù)據(jù)，測(cè)試人員坐在副駕駛位置，后面坐1個(gè)人達(dá)到駕駛室定員人數(shù)，用LMS聲振測(cè)試儀采集時(shí)間－加速度數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示.

圖1 駕駛室測(cè)點(diǎn)布置

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)采集了45、60、75、90 km/h下各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間—加速度數(shù)據(jù).由于駕駛室懸置是左右對(duì)稱的，因此每個(gè)速度下，前后懸置可以只選擇單邊一側(cè)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行繪圖分析即可.如圖2所示為90 km/h車速下的時(shí)間–加速度數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)處理主要由計(jì)算機(jī)完成:

1)用LMS Test Xpress軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，得出各測(cè)點(diǎn)加速度均方根值，并計(jì)算駕駛室的舒適度和懸置的隔振率.

2)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形混有大量噪聲成分如圖2所示，無法提取振動(dòng)信息，需借助頻譜分析.應(yīng)用Matlab軟件繪制各測(cè)點(diǎn)信號(hào)的功率譜.

2 振動(dòng)原因分析

2.1 舒適度評(píng)價(jià)

在試驗(yàn)過程中，在各車速下駕駛員主觀感受駕駛室抖動(dòng)過大.計(jì)算駕駛室座椅坐墊處3個(gè)方向的加權(quán)加速度均方根值如表1所示，通過對(duì)比表2[3]，客觀數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)符合主觀感受，行駛過程中駕駛員處于極不舒服狀態(tài)，隨著車速的提高卡車的平順性越來越差.

圖2 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形

表1 加權(quán)加速度均方根值試驗(yàn)結(jié)果

表2 人的主觀感受與加權(quán)加速度均方根值的關(guān)系

2.2 駕駛室懸置隔振率分析

懸置下為激勵(lì)的輸入點(diǎn)，懸置上為激勵(lì)的輸出點(diǎn)，可以用隔振率Td來描述駕駛室懸置的隔振效果[4]，其公式如下:若隔振率為負(fù)值，說明懸置產(chǎn)生了放大振動(dòng)的作用;若隔振率為正值，說明懸置有一定的隔振效果，值越大說明隔振效果越好.圖3、4、5所示為卡車各車速下駕駛室三個(gè)方向的隔振率曲線.

因?yàn)轳{駛室懸置主要針對(duì)垂直方向設(shè)計(jì)彈簧阻尼器來隔振的，所以在X、Y方向上沒有彈簧阻尼器，隔振效果較差[5].由圖3所示X方向上，前后懸隔振效果都很差，有放大的現(xiàn)象，這是由于懸置X方向相對(duì)Z向剛度較大;Y方向上，前后懸隔振效果一般，后懸右側(cè)有放大現(xiàn)象，是由于后懸右側(cè)空氣彈簧氣囊內(nèi)的壓力約0.3 MPa過小造成(左側(cè)約0.5 MPa);Z方向上，前懸的隔振率基本不隨車速發(fā)生變化，隔振效果一般，后懸的隔振效果隨車速增加越來越好，主要是由于車速增加后，路面和動(dòng)力總成對(duì)車輛的激勵(lì)頻率有所增大，更加遠(yuǎn)離駕駛室懸置系統(tǒng)的固有頻率.

2.3 數(shù)據(jù)的頻譜分析

由表1可以看出，Z向加速度均方根值遠(yuǎn)大于X、Y方向均方根值，且人體對(duì)Z向振動(dòng)更加敏感[6]，同時(shí)卡車直線勻速行駛過程中，側(cè)傾和仰俯姿態(tài)影響較小，因此只需考慮Z向振動(dòng)情況.駕駛室座椅坐墊為人體直接接觸，主要關(guān)注座椅坐墊的振動(dòng)情況.

當(dāng)車速為45 km/h時(shí)，如圖6所示.駕駛室座椅坐墊Z方向主要峰值頻率為13.28(能量最高)，20.7、40.23、60.16 Hz.后三者為倍頻關(guān)系，基頻20.7 Hz.說明存在某周期性振動(dòng).經(jīng)過駕駛室懸置的隔振，這種周期性振動(dòng)的能量傳到駕駛室內(nèi)明顯衰減，然而13.28 Hz處的能量有一定的放大，說明懸置對(duì)13.28 Hz頻率的隔振效果差.

當(dāng)車速為60 km/h時(shí)，如圖7所示.駕駛室座椅坐墊Z方向的主要峰值頻率為18.36 Hz.18.36 Hz的幅值能量經(jīng)懸置和座椅的隔振后，出現(xiàn)了幅值能量放大的現(xiàn)象，其他高頻成分明顯衰減.

當(dāng)車速為75 km/h時(shí)，如圖8所示.駕駛室座椅坐墊的主要峰值頻率為13.28，23.44 Hz(能量最高).其他測(cè)點(diǎn)的僅存在高頻成分，傳遞到駕駛室能量幅值明顯降低.但懸置對(duì)頻率23.44 Hz的激勵(lì)有放大現(xiàn)象，隔振效果差.

圖6 45 km/h振動(dòng)信號(hào)頻域波形

當(dāng)車速為90 km/h時(shí)，駕駛室座椅坐墊處主要峰值頻率為28.52 Hz.其他測(cè)點(diǎn)均在28.52、42.58、57.81、71.48 Hz處有能量集中，發(fā)現(xiàn)這四個(gè)特征頻率均為14 Hz的倍頻，傳遞到駕駛室中幅值能量已明顯降低.但對(duì)28.52 Hz頻率隔振效果差.見圖9.

圖9 90 km/h振動(dòng)信號(hào)頻域波形

由表3可以看出隨著車速的增加，駕駛室主要激勵(lì)頻率逐漸增大，說明這些激勵(lì)頻率與車輛的動(dòng)力總成有關(guān)，可能是駕駛室懸置系統(tǒng)的某階固有頻率接近于動(dòng)力總成某激勵(lì)頻率，以至產(chǎn)生了共振，同時(shí)駕駛室懸置對(duì)以上4個(gè)特征頻率隔振效果差，甚至放大了幅值能量.車速60 km/h時(shí)幅值能量最大，由于60 km/h是該類型卡車的行駛常用車速[7]，因此有必要對(duì)駕駛室懸置的隔振特性進(jìn)行研究和改進(jìn).[8]

2.4 改進(jìn)建議

1)運(yùn)用ADAMS軟件計(jì)算駕駛室懸置系統(tǒng)的各階模態(tài)頻率，通過改進(jìn)懸置的結(jié)構(gòu)參數(shù)－剛度K、阻尼系數(shù)C、阻尼比ζ，來改善其隔振特性.

2)根據(jù)振動(dòng)理論，應(yīng)設(shè)計(jì)懸置的固有頻率的倍小于激勵(lì)頻率，取ω/ωn＞2.5～5(為激勵(lì)頻率，懸置固有頻率)，懸置才起到良好的隔振效果.

激勵(lì)源分析:各車速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為1 400、1 700、1 700、1 600 r/min，6缸四沖程，激振頻率分別為70、85、85、80 Hz，排除發(fā)動(dòng)機(jī)軸頻激勵(lì).輪胎型號(hào)為12.00－R20，在各車速下計(jì)算激勵(lì)頻率分別為3.62、4.83、6.03、7.24 Hz，排除車輪激勵(lì).路面為B級(jí)路面，其激勵(lì)在各個(gè)車速下貢獻(xiàn)是一樣的，路面激勵(lì)也是無法避免的，不給予關(guān)注[4].45、90 km/h車速下出現(xiàn)的周期性頻率振動(dòng)，可能是由齒輪箱某轉(zhuǎn)子的振動(dòng)產(chǎn)生的，但經(jīng)懸置隔振后不是駕駛室的主要激勵(lì)頻率.通過對(duì)比各車速下的駕駛室座椅坐墊的主要激勵(lì)頻率如表3所示.

表3 各車速駕駛室座椅坐墊主要激勵(lì)頻率與幅值統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

通過駕駛室振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件，研究了駕駛室的舒適度、懸置的隔振率和信號(hào)的功率譜等，對(duì)車輛的平順性進(jìn)行了全面的綜合分析，找出車輛振動(dòng)的主要原因是駕駛室懸置隔振效果差，與動(dòng)力總成存在某階頻率的共振現(xiàn)象.為改善該車的平順性提供了可靠的數(shù)據(jù)參考.

[1]陳 敏.中國(guó)商用車產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

[2]張立軍，陳學(xué)文，朱 博.SY6480輕型客車平順性試驗(yàn)及評(píng)價(jià)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(4):532－535.

[3]唐傳茵，張?zhí)靷b，李華，等.汽車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2008，27(9):158－161.

[4]孫加平，張?jiān)?，李舜酩，?某重型卡車駕駛室振動(dòng)測(cè)試與診斷[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(9):213－215.

[5]王楷焱.商用車駕駛室懸置系統(tǒng)隔振特性與優(yōu)化研究[D].吉林:吉林大學(xué)，2011.

[6]國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì).ISO2631－1:1997(E)，機(jī)械振動(dòng)與沖擊－人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)－第一部分:通用要求[S].瑞士:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，1997.

[7]長(zhǎng)春汽車研究所.GB/T 4970－1996，汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法[S].北京:機(jī)械工業(yè)部，1996.

[8]武 巖，金向陽，谷吉海，等.基于振動(dòng)信號(hào)的民航發(fā)動(dòng)機(jī)試車故障的診斷[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，26(4):455－458.