重型卡车舒适性提升及试验验证

陈瑞峰，王劭斌，赵莉

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

引言

近年来，随着重型卡车技术水平的突飞猛进，以及道路条件的不断完善，越来越多的商用车辆选择在高速公路上运送货物。然而部分车辆在常用车速行驶时，会出现明显的整车抖动问题。在长途行车的过程中，这种异常抖动一方面加剧了驾驶员的身体疲劳，造成腰肌劳损，令一方面分散驾驶员注意力，存在安全隐患[1，2]。驾乘舒适性在很大程度上反映出汽车的设计水平和制造工艺水平，因此，解决车辆异常抖动，保证行驶平顺性成为重型卡车NVH 工程师的重点工作，这对于提升驾驶员幸福感，增强产品市场竞争力具有重要意义。

常见的车辆行驶抖动问题主要分以下三种：（1）零部件设计或质量缺陷引起的个别部位异常抖动，如模态频率共振导致的后视镜抖动、转向系统质量问题导致的方向盘摆振等。（2）传动轴不平衡量引起的高频振动，通常表现为驾驶员脚底板有麻木感[3]。（3）车轮转动不平衡引起的整车低频抖动，通常表现为驾驶室前后晃动或上下跳动[4，5]。本文重点讨论第三种情况。

1 抖动车辆测试分析

1.1 主观评价

对常用车速抖动车辆进行动态主观评价，有以下关键特征的可基本判定是由车轮转动不平衡引起：（1）在平直路面上，抖动现象仅和匀速行驶车速有关，且车速越稳定抖动越剧烈，与不同的档位和发动机转速无关。这是因为振动激励来源为车轮系统，当其激励频率与车辆某一系统或大总成固有频率产生共振时引发抖动，而车轮激励频率仅与车速直接相关。（2）有些车辆抖动车速在满载时比空载低。这是因为悬架系统偏频与簧上质量成反比，满载车辆质量大，偏频比空载时小，相应的共振频率也比较低，对应较低的车速。（3）有些车辆出现抖动的车速和空满载无关，极有可能是车轮激励与驾驶室刚体模态产生了共振。（4）有些车辆抖动现象会在比较明显的上下坡时消失。这是因为在坡道上行驶时车辆重心发生了前后方向偏移，导致簧上质量产生变化从而改变了共振频率。

1.2 客观测试

主观评价判定车辆异常抖动是由车轮一阶不平衡量引起后，通过客观测试数据具体分析问题。

1.2.1 实车道路测试

试验车辆：存在常用车速抖动问题的车辆。

测点布置：（1）主驾驶员座椅导轨；（2）前桥正上方对应的车架位置；（3）后桥正上方对应的车架位置；（4）驾驶室右侧纵梁。

测试设备：数据采集仪、加速度传感器、信号分析软件。

测试工况：平直路面缓加速行驶、平直路面抖动车速稳速行驶。

1.2.2 整车模态测试

对整车进行模态试验。在全车共布置268 个响应测点，在体现整车主要几何轮廓的同时涵盖了所有大总成零部件。采用4 个激振器分别在右前车架、左前车架、左后车架以及变速器下方四个点对整车进行激励，试验过程中选择随机触发作为源信号，每组试验平均30 次降低测试过程中的随机误差。

测试结果得到整车模态分布表和振型图。

1.3 测试结果分析

a）道路试验中，车辆在平直路面上从较低稳定车速开始缓加速行驶至最大车速，整个过程用时间跟踪采集各测点加速度信号，得到缓加速驾驶员座椅导轨垂向振动加速度瀑布图。

由瀑布图可以明显看出，振动量峰值所在频率随着车速增加而增加，形成一条明显的“山脊”，且在经过某一个共振点时出现最大值，该频率即为异常抖动频率，该最大峰值所处车速即为异常抖动车速。

令车辆以异常抖动车速在平直路面上行驶，同时采集各测点加速度信号，得到抖动车速稳速行驶频谱图。

从抖动车速稳速行驶频谱图中可以得出整车异常抖动频率，运用下文公式可验证该频率为车轮转动一阶频率：

式中：

f----整车异常抖动频率，Hz；

r----车轮半径，m；

V----异常抖动车速，km/h。

注意该车速为车辆真实的GPS 车速，通常比仪表盘显示车速略小。

b）将道路试验得到的车轮激励一阶频率与模态分布表进行对照，并结合整车自由模态计算分析结果，发现该频率与多个总成模态频率非常接近，包括驾驶室绕Z 轴横摆、驾驶室绕Y 轴俯仰以及后悬架偏频。所以在匀速行驶过程中极易产生共振从而导致整车异常抖动。

2 抖动车辆调校及验证

根据上文分析，该类型的车辆异常抖动是由车轮一阶不平衡引起的，该激励频率必定会在特定车速下与整车或某一系统模态产生共振，减小车轮不平衡量即可改善抖动问题。而影响车轮不平衡的主要因素有两点：（1）径向跳动过大，即车轮不正圆；（2）车轮动平衡不达标。首先从这两方面对车轮进行调校并验证结果。

2.1 车轮径向跳动测量

加工下图简易测量工具对全车车轮进行径向跳动量测试：

图2 轮胎的径向跳动测量

测试结果显示，该车部分车轮的径向跳动量超过3mm，不能满足“正圆”要求，必定会在转动过程中对悬架系统产生激励，所以为试验车辆更换全部合格的车轮后再进行下一步动平衡调校。

2.2 车轮动平衡调校

车轮是由轮毂和橡胶轮胎组成的一个总成，由于各种原因，该总成各部位质量分布不可能完全均匀，所以当车轮高速旋转时就会形成不平衡状态，造成车辆异常抖动。为了消除这种不平衡，我们通过增加配重块的方法，使分布在车轮上各个质量的离心惯性力合力为零，同时离心力所引起的力偶的合力偶矩也为零。即∑F=0 且∑M=0。最终保证车轮在高速旋转时平稳、可靠。

由于车轮有一定的宽度，所以使用有内、外侧两个校正面的立式平衡机，对全车所有车轮进行动平衡调校。

图3 动平衡调校图示

2.3 驾驶室悬置和底盘调校

由于各种原因，部分车辆车轮一阶不平衡激励无法完全消除。还有部分车辆由于超重行驶、质量问题等因素，车轮无法长期保持转动平衡。对于上述车辆，也可以进行两个方面调校：（1）降低驾驶室系统刚体模态频率，即调校驾驶室悬置偏频，降低共振频率至常用车速以下且提升悬置隔振效果；2、优化底盘前后悬架匹配，平衡前后悬架对激励的敏感性，如后悬偏频共振，则在保证操稳性能的基础上适度增加前悬减振器阻尼或减小后悬减振器阻尼。

驾驶室悬置系统的偏频，即固有频率f0可由公式2 确定：

式中：

g-----重力加速度，g=9810mm/s²；

c-----减振器刚度，N/mm；

G ----簧载质量，N。

可通过降低减振器刚度的方式减小驾驶室悬置固有频率。这样一方面可以使共振频率降低到常用车速以下，另一方面可提升悬置系统隔振性能，因为根据振动理论，只有当激励频率与固有频率的比值大于时，系统才起到隔振作用。

2.4 调校结果验证

通过上述各项调校工作后，对抖动车辆进行实车验证。在各测点位置采集振动加速度信号，通过道路试验与原状态数据进行对比验证，相同工况下各位置振动量都有明显下降，常用车速异常抖动现象也随即消失。

3 结论

本文主要讨论了重型卡车常用车速异常抖动问题的分析依据及解决办法，得出以下结论：

（1）针对整车NVH 问题，在进行客观测试前，首先通过主观评价识别故障源，判断大致解决方向，可有效提高排查效率，缩短测试时间。

（2）在整车几个关键位置进行多工况振动测试，测得车轮一阶激励频率。该频率对照整车模态分布表和虚拟仿真计算结果，判定抖动原因是车轮激励频率与整车大总成模态共振。

（3）通过车轮径向跳动、车轮动平衡、驾驶室悬置和底盘减振器几个方面调校，消减激励振源，转移共振频率并衰减振动能量，有效解决了重型卡车常用车速抖动问题。