基于仿真技术的重型牵引车驾驶室抖动分析与优化

董志鸿 杨玉良 杨宇 曾健 孙营

摘要：某重型牵引车在道路试验时发现70km/h时驾驶室抖动加剧。为了尽快找出原因，建立整车NVH仿真模型，将试验测量数据作为仿真模型的输入，从仿真结果中提取驾驶室座椅导轨加速度响应，结合整车模态结果，找出了导致驾驶室抖动加剧的根源，确定了优化方案并进行实车验证，最终解决了驾驶室抖动问题。

关键词：牵引车；仿真模型；加速度响应；整车模态；轮胎不平衡激励；功率谱密度

引言

在以往的汽车振动问题分析中，由于计算机性能的限制，往往采用高度简化的模型以减少分析的自由度，其精度也受到很大的限制，这样的模型不能很好地模拟整车的运动。随着计算机容量和性能的不断提高，对整车的振动噪声进行系统地模拟已经成为可能。本文采用试验与CAE相结合的方法对某重型牵引车驾驶室抖动问题进行分析与优化。

1.建立牵引车仿真模型

1.1建立该牵引车的整车NVH仿真模型，如图1所示：

图1.整车有限元模型

汽车振动的激励源主要来自动力总成和路面。在进行道路试验时，在发动机悬置和车桥上布置加速度传感器，并将测量结果进行处理转换，得到该处的加速度功率谱密度曲线。

1.2仿真模型上的载荷输入

将试验测量得到的发动机悬置、车桥上加速度功率谱密度作为仿真模型的输入，在仿真模型的计算结果中输出座椅导轨处的振动响应，图2为实车试验测量的发动机悬置和车桥上加速度功率谱密度曲线。

图2 实车试验测得的发动机悬置和车桥上加速度功率谱密度曲线

将施加了载荷的仿真模型提交计算，并在计算结果中输出驾驶室座椅导轨处的加速度响应曲线，曲线在5.8Hz处出现共振峰值，如图5所示，即驾驶室在70km/h抖动加剧时的共振频率为5.8Hz。而4～8Hz之间是人体敏感区域，因此需避免在此频率区间出现较大振动幅值。

由于在实车道路试验时发现，驾驶室抖动只与车速有关，与档位的选择无关，换句话说与发动机的转速无关。这就排除了发动机、传动系等旋转激励，而是由结构的固有频率共振导致驾驶室抖动，因此，动力总成刚体模态及驾驶室等的刚体模态成为可能的因素。 为了找出上述模态频率，对整车有限元模型进行整车模态分析。

2.整车模态分析

对图1中的整车有限元模型进行模态分析，得出5.77Hz存在一个模态，振型为车架后部垂向振动+驾驶室刚体模态，而动力总成刚体模态为6.7Hz，初步确定驾驶室抖动是由驾驶室刚体模态共振产生。如图3。

圖3 车架后部垂向振动+驾驶室刚体模态（5.777Hz）

3.驾驶室振动原因分析

从整车振动试验结果反馈，当车速达到70km/h时，能感受到明显的驾驶室抖动问题。初步判断原因可能是某激励频率与驾驶室固有频率5.8Hz接近，导致驾驶室产生共振现。车轮的一阶不平衡激励通常处于此频率区间，该牵引车的轮胎滚动半径为0.543m，而70km/h的行驶车速转换成轮胎不平衡激励频率值刚好为5.8Hz。由此可确定，轮胎不平衡激励激发了车架后部垂向振动和驾驶室刚体模态产生驾驶室共振，从而导致驾驶室在70km/h时出现抖动加剧现象。

车架后部垂向振动模态和驾驶室刚体模态分别与板簧刚度、驾驶室悬置刚度、驾驶室后悬摆臂衬套刚度等有关，受承载要求的限制，调整板簧刚度和驾驶室悬置刚度可能会导致其他新的问题产生，综合考虑之后，可尝试从减震器阻尼和驾驶室后悬摆臂衬套刚度入手，从而达到降低驾驶室抖动幅度的目标。

4.确定优化方案

为了能够尽快找出优化方案，在与相关工程师共同讨论后，筛选出以下两个改进方案，即增加各减震器阻尼，降低驾驶室后悬摆臂衬套的Y向刚度。具体体现为驾驶室前后悬减震器阻尼增倍，降低驾驶室后悬摆臂Y向衬套刚度，由原来刚度1000N/mm降低为600N/mm。如图4所示。

图4.增加减震器阻尼、降低后悬摆臂衬套刚度

将以上两个改进方案在仿真模型中修改之后提交计算，输出驾驶室座椅导轨处的加速度响应，并与优化前进行对比，在5.8Hz处的振动幅值降低了28%，效果明显。如图5所示。

图5驾驶室座椅导轨振动优化前/优化后结果对比

将上述两个优化方案在试验车上实现，并提出了一些改进措施：对轮胎总成的动态不平衡量方面进行了限制，目的是尽量降低轮胎激励的幅值；即降低振动源的幅值。尽量增大驾驶室对5.8Hz频率附近振动的衰减量。再次进行道路试验。从试验反馈信息可知，驾驶室抖动现象明显改善。该试验结果同时也验证了仿真分析结果的准确性。

5.结论

在重卡整车NVH性能开发过程中，针对一些较复杂的振动现象，可以首先采用主观评价和试验测试相结合的方法，初步找出可能导致问题产生的原因。然后借助CAE仿真方法，对原因进行分析验证，明确导致振动问题产生的根源，从而做到有针对性的去优化改进结构参数，大大缩短汽车开发周期。

参考文献：

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[4]傅志方， 华宏星.模态分析理论与应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2000， 7

作者简介：

董志鸿（1984年—），男，合肥工业大学在职研究生，主要从事汽车整车及系统零部件NVH分析。