重型卡车驾驶室振动问题研究综述

顾亚升，王汝佳，易爱迪

（江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）

在国内重型卡车迅猛发展的同时，人们对车辆驾驶室内的NVH 性能也愈加关注。之前，不管是重卡车企还是车主都更注重重卡的实际收益，除了重型卡车本身的安全性能，主要关注车辆的载重性能以及其运输时长。然而，由于重型卡车主要用于长途运输，在运输过程中，驾驶时间长以及噪声、振动带来的恶劣驾驶环境容易导致驾驶员易疲劳，存在安全隐患。特别是国内很多车企生产的车辆，在道路上行驶时常会出现驾驶室异常振动或低频抖动的问题，严重影响驾驶员的驾车体验。本文针对重型卡车在路面行驶时遇到的振动问题，综述相关的研究成果并给出减振措施，对车辆在试验阶段的减振测试给出有针对性的方法建议。

1 重型卡车驾驶室振动问题的来源

根据经验判断可以知道，卡车驾驶室振动问题的大致来源为发动机工作时的激励、行驶时路面的激励、变速箱的振动传递和卡车轮胎的自身因素。

国内已有人对重型卡车驾驶室的振动来源进行了详尽的计算分析，文献[1]中，孙宗玺对收集到的数据进行分析和排除，找到引起重型卡车驾驶室振动的主要原因，得到计算公式=×/60，其中为发动机转速，为缸数。发动机工作时所产生的振动为高频振动，而人体对10 Hz 以下的低频振动感受才明显，所以发动机的振动对驾驶室振动影响不大；当卡车的时速达到50 km/h 时，发动机转速达1 300 转，此时的变速比基本为1，变速箱引起的振动频率为21 Hz 左右，也属于高频振动，与驾驶室的振动无关；而通过计算发现，轮胎和路面引起的振动容易被人体感应，对驾驶室的振动有影响，理论上来看是造成驾驶室抖动的根本原因。

由于重型卡车整体是一个复杂的振动系统，通常情况下装配的轮胎性能不够均匀，会产生较大的激励。此外，由于重型卡车的悬架系统、车架的弹性模态以及车身悬置的模态等多个模态频率都在0～10 Hz 的低频区间，极易受车轮的激励所激发，导致卡车行驶时驾驶室低频抖动。

2 重型卡车驾驶室振动研究现状

重型卡车的乘坐舒适性是评价卡车性能的一个关键因素，卡车在路面上行驶会受到多方面的振动影响，驾驶室的振动系统非常复杂，因此研究重型卡车驾驶室的振型和固有频率对重型卡车舒适性意义重大。通常常人们会调整驾驶室的固有频率以错开行驶时卡车的振动频率，从衰减驾驶室的振动的角度来改进卡车的乘坐舒适性。由文献[2]知，通常获得驾驶室结构的固有振动频率以及振型有2 种方法，一种是利用样车的白车身模态分析获得所需要的振频和振型；另一种是通过建模仿真，分析计算出驾驶室的各阶振动频率和振型。由文献[3-6]知，理论分析时，可利用相关软件进行计算和分析，这种方法对样车的依赖性较小，没有试验环境或条件的情况下可以用此方法，但理论计算所得出的数值与实车试验的数值存在偏差，因此理论计算方法在车辆的研发和生产方面有较广泛的运用，对解决车辆的工程问题作用不大。尽管对实车进行道路测试来获取固有频率需要投入大量的时间和精力，但能够更切实地体现实车的问题，故而在解决工程问题时工程试验的可靠性更高。

驾驶室悬置对卡车驾驶室的振动起着重要作用，主要靠其结构以及元件的力学特性减振。文献[7]中，WⅠLLⅠAM 在2000 年曾对空气弹簧和减振器布点位置进行调整测试，调低驾驶室悬置系统的固有频率，优化减振器阻尼，达到减振目的。文献[8]中，2001 年ALEXANDER 研究试验了空气弹簧，对半浮式的悬置系统与全浮式的悬置系统进行对比，得出全浮式驾驶室悬置系统的振动性能好的结论，抵抗冲击载荷与安全性能都很好。文献[9-10]中，2002 年，WARD 对不同的驾驶室悬置结构进行了分析比较，研究驾驶室俯仰和侧倾的振动特性，得出4 点式驾驶室悬置系统的隔振效果最佳的结论。文献[11]中，2007 年，PARAS利用ADAMS 软件对重型卡车进行了整车建模，优化了卡车的平顺性，并且发现重型卡车的后悬架系统对车辆平顺性影响不大，通过调整驾驶室悬置系统的刚度和阻尼，达到提高车辆平顺性目的。文献[12-13]中，2010 年ALAOR 等采用DOE 方法，分析了驾驶室悬置系统和前悬架系统的参数对乘坐舒适性的影响，并重新匹配了驾驶室悬置系统的参数，达到减小驾驶室内振动的目的，提高了驾驶室的乘坐舒适性。

国内对于重型卡车的乘坐舒适性以及驾驶室抖动等问题，大多数企业一般通过经验调整驾驶室悬置的刚度和阻尼来解决问题，缺乏一套系统而完善的解决方案。

3 重型卡车驾驶室抖动来源分析

3.1 车架对驾驶室抖动的影响

重型卡车的车架是承载卡车载荷的重要部件，车架的模态会随着卡车的载货量的增加而降低，如果车轮的激励和车架的固有频率重合则会造成共振，从而使整车剧烈振动。

国内在车架对卡车行驶时的抖动影响方面有不少研究。文献[14]中，刘大维等以在水平路面上以时速60 km/h 行驶的某自卸车为研究对象，对其横向抖动进行相关测试，找出自卸车异常抖动的原因，车轮不平衡引起的激励与车架的一阶、二阶固有频率产生共振，导致车辆横向异常抖动。文献[15]中，东风的时磊通过常规的振动试验以及整车的模态试验对某卡车在57 km/h 行驶时出现的的驾驶室低频抖动问题进行研究，发现车架整体的一阶弯曲是导致卡车驾驶时出现低频抖动的原因。论文提出利用增加车架和车厢副梁间的连接刚度来增大整车的弯曲刚度，从而提高卡车行驶时的乘坐舒适性，但鉴于成本高并未采用。改换方案，调低前桥钢板弹簧刚度，增大1 倍阻尼比后，效果甚微。之后通过改半浮式驾驶室悬置为全浮式后，减少了1.5 m/s的振动幅值。文献[16]中，傅春宏等以车速40 km/h 行驶的某中型卡车为研究对象，利用有限元分析与道路试验结合的方法研究行驶时驾驶室异常抖动的问题，得出车轮产生的摇振频率3.17 Hz 与整车的固有频率3.01 Hz 共振是引发卡车驾驶室异常抖动的原因。上述研究中，按照车速40 km/h 计算的车轮摇振频率如表1 所示。相关整车模态计算结果如表2 所示。

表1 车轮摇振频率[16]

表2 整车固有频率[16]

文献[17]中，胡溧等对某款驾驶室异常抖动的商用车进行研究，通过道路测试收集车辆信号，综合分析处理过的数据，找到导致驾驶室异常振动的较大振动路径。发现当车速接近45 km/h 时，车轮的激振频率和驾驶室的一阶频率相近，引发共振且驾驶室悬置的隔振效果欠佳。针对此问题，采用ADAMS 动力学软件进行建模仿真，优化驾驶室悬置的参数，同时提出改善方案，解决问题。文献[18]中，由于在车架弯曲振动方面欠缺改进措施，一般通过增大车架前段纵梁刚度或货箱副梁的弯曲刚度，以及两者间的连接刚度。在车架上固定安装车厢会增大整车的弯曲刚度与模态频率。通过试验发现在车架和车厢副梁间用橡胶垫隔离时能够降低车架和副梁连接的整体刚度，从而达到削弱整车抖动的效果。

在车辆开发后期，通过大幅度改进车架刚度来消除振动的目的不现实，改进驾驶室悬置的刚度对减振有一定的效果，由于车架存在共振，问题很难被彻底消除。当车架发生弯曲振动时，车架前端的振动会比较大，一般驾驶室的前悬在车架最前端，故驾驶室前悬对车架的振动传递有很大影响。鉴于车架承载着动力总成、悬架、驾驶室等各种附件，因此这些部件在车架上，会对车架的模态产生影响。与仅分析车架的模态去预测车架是否会发生共振相比，建立整车模型对车架的弯曲或扭振进行预测分析的效果更好。

3.2 悬架对驾驶室抖动的影响

卡车的悬架大都选用钢板弹簧式悬架，由于国内外情况有差异，国内的板簧式悬架普遍要考虑超载因素，整车偏频较高。比如文献[20]中某重型卡车后悬架的振频达到了4.5 Hz，一旦车轮的激励频率靠近悬架的偏频时会造成整车抖动。当前悬架发生共振时，驾驶员通常的感觉是垂直跳动；当后悬架发生共振时，对于短轴距的载货汽车，振动极容易传递到驾驶室，这时驾驶员会感到一定程度的俯仰振动。国内的赵敬义等对在车速为55 km/h 时发生垂向异常抖动的某重型卡车展开研究，通过试验发现出现问题时的频率为4.5 Hz，激励源是轮胎的旋转激励，车架的振动谱振存在2.8 Hz 和4.5 Hz 这2 个固有频率，振谱为4.5 Hz 悬架的后偏频。文献[19]中，对整车振动进行优化时，很少对后悬架进行改动，选择对车桥的装配以及轮毂等加以限制，适当增大前悬架刚度，调整减震器的阻尼，对驾驶室悬置进行优化，减振效果明显。文献[20]中，王杰等以在平直路面上匀速行驶的某轻型商用车为研究对象，车速为38 km/h 和60 km/h 时，出现有规律性的上下和前后振动进行试验研究。当车速为38 km/h 时，研究发现主要由簧上偏频共振引起的振动，通过调整刚度和阻尼，控制轮胎动平衡等，实现减振目的。文献[21]中，杨年炯等针对以车速55～60 km/h 行驶时的某商用车驾驶室振动问题，利用传递路径分析方法发现刚板弹簧的固有频率和激励频率接近是主要原因。通过调低后板簧的刚度使其固有频率降低了0.5 Hz，问题得到解决。

3.3 驾驶室悬置系统对驾驶室抖动的影响

驾驶室和驾驶室悬置系统有六阶刚体模态，大多情况下，其垂直、俯仰等模态都低于10 Hz，若悬置系统的频率配置不合理，容易造成驾驶室抖动。通常由于卡车驾驶室自身的刚度较高，其弹性体模态要远高于车轮的一阶激励频率，难以被激发，两者不会产生共振。近些年国内也有不少研究人员展开驾驶室悬置对卡车行驶抖动影响的研究。文献[22]中，郭福祥等对车速为62 km/h 的某轻卡行驶时驾驶室存在的6.8 Hz的振动问题进行研究，优化了驾驶室橡胶悬置系统的固有频率与解耦特性。经过实车试验验证，将驾驶室的振动加速度幅值减少近1/3。文献[23]中，白云志等针对国内某企业生产的重型卡车中存在部分车辆在行驶时出现驾驶室异常抖动的问题展开研究，通过对问题车辆进行试验，采集整车振动信号，并对驾驶室抖动的原因展开分析，通过分析振动信号的互功率谱密度和相关性函数，发现驾驶室抖动的原因是车桥不平衡和驾驶室悬置的减振不到位。通过调整前后驾驶室悬置刚度与阻尼，并利用ADAMS 仿真建模验证改进方案，降低振动幅值69.9%。悬置参数优化前后驾驶室质心振动加速度的频谱图如图1、图2 所示。从图中可以看出，经过参数优化后，驾驶室质心的振动加速度的幅值明显降低，并且振动频率的集中区间从3～4 Hz 下降到 2.3 Hz 附近。

图1 悬置参数优化前驾驶室质心振动加速度的频谱图[23]

图2 悬置参数优化后驾驶室质心振动加速度的频谱图[23]

改进由于车身系统匹配引发的卡车行驶抖动问题的措施主要是调整驾驶室悬置系统的垂向、俯仰等模态频率。驾驶室悬置系统采用全浮式悬置结构，其频率通常比较低，文献[24]中全浮驾驶室的垂直频率仅为1.4 Hz，俯仰频率为1.6 Hz，故全浮式驾驶室的悬置系统在水平路面上很难与车轮激励共振。

4 重型卡车驾驶室振动问题的优化

4.1 轮胎的检查与维护

通过研究发现，车轮以及轮胎总成的端调动、径跳动和装配精度误差大是造成卡车低频抖动的重要因素，因此需要加强对卡车轮胎的检查与维护。需要经常检查胎压，阶段性地检查轮胎与轮毂的磨损情况，若情况欠佳应及时更换相关轮胎；此外，也需经常测试与修正车轮的动平衡，及时养护轮胎及车轮，降低其对驾驶室振动的影响。

4.2 匹配合适的悬置系统参数

影响重型卡车驾驶室振动的因素很多，除了车轮及轮胎外，还有车架、悬架及驾驶室悬置等，但是对于已经研发和设计好的新车，从对新车进行摸底到符合标准而验收的测试与优化过程中，优化车架和悬架等既成结构的方案很难被接受，对驾驶室悬置系统进行刚度和阻尼调整，并且通过试验对比可以发现，调整过悬置系统刚度和阻尼的车辆的振动情况明显优于未进行调整前的振动状况。

4.3 解决工程实际问题的建议

一辆新车从研发设计开始，到制造出来后，再到基本完善可以投入市场的过程中，还要经过反复的测试与优化，待达到期望的对标车的水平层次后，方可量产并正式投入市场。其中，研发和设计过程中基本上已经把重型卡车的整车架构完备，对于制造出实车后的测试与优化过程，一般不会再对大的机构，如车架、悬架以及驾驶室等进行修整。对于驾驶室振动问题的解决，一般通过调整悬置系统的弹簧刚度和阻尼器阻尼，或是更换车胎、车轮或是一些简单易拆卸的构件进行调试减振。在做工程项目时，大多通过道路测试采集信号，然后分析处理相关数据，找到问题所在，最后按照经验调试不同组合的刚度和阻尼并进行测试比较，找出减振效果最佳的一组弹簧刚度与阻尼器阻尼参数作为解决方案。

通过对解决重卡驾驶室振动的方法的研究，基于工程实际问题拟提出一种解决驾驶室振动问题的方案：利用传递路径分析方法，对实车进行布点测试，对各测点数据进行计算分析，找出对驾驶室振动影响较大的点，有针对性地对影响重型卡车驾驶室振动的较大振动点进行悬置参数的调整，利用ADAMS 建立驾驶室及其悬置系统的仿真模型，对改进方案进行分组对比择优，然后进行试车测试验证。此方案对于工程项目具有重要的现实意义，可以减少测试工程，缩短试验周期。

5 结语

对于国内部分重型卡车在行驶时出现驾驶室振动或抖动的现象，本文阐述了驾驶室振动的来源，结合国内近些年的相关研究成果，主要从车架、悬架以及驾驶室悬置系统3 个方面综述对驾驶室振动影响的成果，并给出一些优化驾驶室振动的措施，提出将传递路径方法与解决驾驶室振动的常用方法相结合，针对性地对影响重型卡车驾驶室振动的较大振动点进行优化，更好地缩减测试驾驶室有振动问题的工程，达到减振目的。