某商用车驾驶室振动问题的改进研究

杨年炯,耿仁强,廖奇峰,陈 果

(1.广西科技大学 汽车与交通学院,广西 柳州545006;2.广西科技大学 广西汽车零部件与整车技术重点实验室,广西 柳州545006)



某商用车驾驶室振动问题的改进研究

杨年炯1,2,耿仁强1,廖奇峰1,陈 果1

(1.广西科技大学 汽车与交通学院,广西 柳州545006;2.广西科技大学 广西汽车零部件与整车技术重点实验室,广西 柳州545006)

针对某商用车驾驶室振动过大的问题,使用LMS振动测试系统进行测试.通过振动传递路径分析(TPA),发现板簧固有频率与激励源频率重叠是引起驾驶室振动过大的主要原因.通过减小板簧刚度从而降低板簧固有频率,改进后再次进行实车测试.数据分析表明,振动加速度显著减小,提高了乘坐舒适性,驾驶室振动过大问题得到解决,证明减小板簧刚度对降低驾驶室振动的有效性.

商用车; 驾驶室; 振动; 钢板弹簧

汽车平顺性是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适程度和保持货物完好的性能[1].对于商用车而言,主要体现在驾驶室的乘坐舒适性.由于商用车行驶路况较为复杂,一般行驶时间较长,驾驶员易于疲劳,进而影响到驾驶安全性,因此,近年来对商用车驾驶舒适性问题十分关注.

对商用车驾驶室振动问题,以往的研究大多集中在悬置的优化上.王成文等[2]运用频谱分析法对驾驶室悬置进行综合分析,找出驾驶室悬置隔振效果差,与动力总成的激励频率发生共振是驾驶室振动的原因,并提出了改进方案.刘永红等[3]通过振动测试和模态试验分析相结合的方法,分析出柱塞泵一阶频率与车架模态频率共振是产生驾驶室振动的原因,进而对柱塞泵进行调整后,解决了驾驶室振动的问题.申秀敏等[4]通过测量驾驶室振动加速度信号,对数据进行时域分析和频域分析,找出驾驶室制动振动的原因,并进行改进,改进后制动振动现象得到明显改善.

本文针对某商用车驾驶室振动过大的问题,使用LMS(Leuven Measurement System)振动测试系统对驾驶室进行多种车速下的摸底测试,查看问题车驾驶室的振动情况,对驾驶室座椅导轨振动信号进行频谱分析,获取引起驾驶室振动的主要频率,通过传递路径分析(Transfer Path Analysis,TPA),查找引起共振的激励源.通过试验与分析,发现板簧在某频率下不但没有起到隔振效果,反而将振动放大.基于对悬架刚度、阻尼合理匹配的考虑,减小问题车板簧的刚度,再使用LMS振动测试系统对驾驶室在各个车速下进行平顺性测试,数据分析显示,振动加速度峰值明显降低,乘坐舒适性主观感受良好,整车平顺性可以接受.

1 工况试验及分析

1.1 实车测试

根据售后反馈,该商用车在某些路面某些车速下行驶时,驾驶室存在振动过大的问题,影响到乘坐舒适性,用户体验较差.为此,使用LMS振动测试系统对问题车进行摸底测试,试验在沥青(B级)路面上进行,试验质量为满载(50 t),试验车速为30～100 km/h之间的多个车速,车速间隔为5 km/h.测点分别布置在板簧、车架、驾驶室悬置、座椅导轨、座椅支承面等处,如图1所示.依据测试数据,结合传递路径分析方法(TPA),查找导致平顺性差的原因.就该问题车而言,驾驶室振动的激励源主要有路面激励和发动机激励.驾驶室振动过大,是车辆在低频区的异常振动现象,而发动机激励属于高频激励,本文仅探讨路面激励对驾驶室振动的影响.

1.2 座椅支承面振动分析

为了探究驾驶室振动的原因,将采集到的试验数据进行分析.驾驶室座椅坐垫直接与人体接触,座椅支承面的振动情况是考察乘坐舒适性的一个重要测点.在座椅支承面上用坐垫传感器测试,将采集所得的数据以及加权加速度均方根值一起绘在图上,如图2所示.从图中可以看出,Z向的加速度值比X向和Y向要大,特别是车速为55～70 km/h,90～100 km/h时更是如此,表明在垂直方向上从路面传到驾驶室振动比较大,路面激励在Z向产生的振动经过板簧和驾驶室悬置的路径中没有得到充分的衰减.

图2 驾驶室座椅支承面加速度

1.3 驾驶室座椅导轨频谱分析

频谱分析是将测试信号进行傅里叶变换,将时域信号转换为频域信号并加以分析.频响函数反映系统的传递特性,是研究结构动态特性的重要工具,也是模态分析和参数识别的基础[5-6].

对驾驶室座椅导轨各个车速下的振动信号进行频谱分析,由实测数据可以看出,驾驶室振动加速度较大的是垂向振动,对各个车速下的垂向振动进行频谱分析,以车速为55 km/h和60 km/h的驾驶室座椅导轨频谱图为例(见图3和图4).

图3 55 km/h时驾驶室座椅导轨频谱图

由图3可知,车速为55 km/h时,驾驶室座椅导轨Z方向在频率为2.5 Hz处出现了加速度峰值,值为0.37 m/s2.说明在2.5 Hz时幅值有放大现象.

图4所示,车速为60 km/h时,驾驶室座椅导轨Z方向加速度峰值同样出现在2.5 Hz处,从路面激励传递到驾驶室的过程中,板簧和驾驶室悬置没有起到隔振应有的效果,需要对整个传递路径进行分析,找出导致驾驶室共振的根源.

图4 60 km/h时驾驶室座椅导轨频谱图

1.4 传递路径分析

由以上分析得知,驾驶室座椅导轨在频率2.5 Hz处在垂向有较大峰值,需对整个传递路径进行频谱分析.同样以55 km/h和60 km/h车速进行整个传递路径上各部件进行频谱分析,以确定振动放大的环节.图5为板簧及驾驶室悬置在车速分别为55 km/h和60 km/h时的频谱图.

图5 不同车速下板簧和驾驶室悬置频谱图

当车速为55 km/h时,如图5(a)和图5(b)所示,频率2.5 Hz处,板簧主动端的峰值为0.11 m/s2,板簧被动端的峰值为0.23 m/s2,驾驶室悬置主动端为0.39 m/s2,驾驶室被动端为0.58 m/s2.可见在整个传递过程中,板簧和驾驶室悬置不仅没有起到减震的效果,反而存在放大现象.

当车速为60 km/h时,如图5(c)和图5(d)所示,出现了类似的情形.同样在频率2.5 Hz处出现了峰值.板簧主动端峰值为0.12 m/s2,板簧被动端峰值为0.22 m/s2,驾驶室悬置主动端为0.43 m/s2,驾驶室被动端为0.66 m/s2.板簧和驾驶室悬置同样存在着振动加速度放大的现象.

实车摸底排查时,还分别测了30～100 km/h车速下,板簧上下端、驾驶室悬置上下端、驾驶室座椅导轨等处的振动加速度,发现各车速下,均在频率为2.5 Hz处出现了峰值,从振动传递路径上来看,2.5 Hz正是该问题车板簧的固有频率,判断为板簧的固有频率与激励源中的主要激励频率接近,因而产生了共振,导致从路面经过板簧传到驾驶室的过程中能量被放大,故认为板簧刚度太大影响其减振效果,需要对板簧进行优化来降低其刚度,从而减小驾驶室的振动.

2 板簧改进及其对驾驶室振动的影响

根据上述分析,钢板弹簧的固有频率与激励频率接近,通过降低板簧刚度来降低固有频率,从而避免共振,达到降低驾驶室振动的效果.降低板簧刚度之后,板簧的固有频率由2.5 Hz降到2.04 Hz,板簧固有频率避开了激励频率.

试制出改进后板簧试样件,装配到问题车上,进行与原车相同条件下的试验,然后对改进后试验采集的驾驶室座椅导轨振动信号进行频谱分析,如图6所示.

由图6(a)可知,车速为55 km/h时,对改进前、后座椅导轨数据进行对比,在频率2.5 Hz处,幅值由0.37 m/s2降低到0.19 m/s2,降幅比为48.6%,振动加速度明显减小.由图6(b),在60 km/h车速下,在频率2.5 Hz处,幅值由0.41降低到0.23,降幅比为43.9%,同样可以得出在频率2.5 Hz处振动加速度显著减小的结论.试验还测试了30～100 km/h下座椅导轨的振动情况(车速间隔为5 km/h),其他车速下的试验数据如表1所示(部分车速).由表1可知,改变板簧固有频率后,各车速下,驾驶室座椅导轨振动加速度均有较大幅度下降,因此,对板簧进行改进,能有效降低了该车驾驶室的振动.

图6 板簧改进前、后不同车速下座椅导轨频谱图

表1 改进前、后座椅导轨振动加速度对比

3 结论

针对某商用车驾驶室振动过大的问题,使用LMS振动测试系统进行测试,找出引起驾驶室振动过大的原因.改进板簧后再次实车试验,分析改进前、后测试数据可知改进板簧的有效性,振动加速度显著下降,乘坐舒适性得到提高,研究得到以下结论:

(1) 运用LMS振动测试系统以及相应分析软件,对振动进行测试以及对测得数据进行频谱分析,可以有效测出振动传递路径上各环节的振动情况,并查出导致驾驶室振动过大的原因.

(2) 钢板弹簧固有频率与激励源频率重叠导致发生共振,极易使驾驶室振动过大,影响乘坐舒适性.通过减小板簧刚度降低其固有频率,使板簧固有频率避开激励源频率从而避免共振,其振动特性得到很大改善,驾驶室振动加速度明显减小,整车平顺性得到提升.

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Study on the improvement of vibration of a commercial vehicle cab

YANG Nianjiong1,2,GENG Renqiang1,LIAO Qifeng1,CHEN Guo1

(1.School of Automobile and Transportation,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, Guangxi,China;2.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,Guangxi,China)

In order to solve the problem of excessive vibration of commercial vehicle cab,LMS vibration test system was used to test.Through the method of vibration transmission path analysis(TPA),it was found that the natural frequency of the leaf spring overlapped with the natural frequency of excitation source was the main reason causing cab vibration.By reducing the stiffness of the leaf spring to reduce the natural frequency of the leaf spring,the real car test is carried out again after the improvement.The test data analysis shows that the vibration acceleration is reduced significantly,the ride comfort is improved,and the problem of excessive vibration of the cab is solved.It proved that reducing the stiffness of the leaf spring is effective to reduce the cab vibration.

commercial vehicle; cab; vibration; leaf spring

国家自然科学基金资助项目(11502056);广西高校科研基金重点资助项目(201202ZD070);广西汽车零部件与整车技术重点实验室自主研究课题(14-A-03-01);广西汽车零部件与整车技术重点实验室开放课题(2015KFYB01,2013KFZD02);2017年广西科技大学自然科学培育计划项目(NO:50)

杨年炯(1977—),男,副教授.E-mail:nj_yang@163.com

U 463.212

A

1672-5581(2017)02-0178-04