基于盲源分离的商用车驾驶室悬置系统隔振特性

刘春晖

（山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034）

近年来，国内商用车发展迅速，著名品牌有重汽、陕汽、红岩、福田等。载重量从轻型、中型到重型的不同产品均有多个系列，商用车的产量和销量逐年增加，质量和各方面性能也得到不断提高。但是与乘用车相比，国内商用车的技术很多方面相对落后，特别是在设计和生产制造上与乘用车的差距很大，尤其在乘坐舒适性方面与客户期望的要求还有较大差距。因此，提高商用车的舒适性已成为国内外汽车行业研究的一个热点问题。

在机械振动信号处理领域，盲源分离的算法研究才刚刚起步，其应用也仅仅局限于旋转机械的故障诊断，但还没有成为一门成熟的技术。国外的某些商用车将机械振动和声音信号混合后，通过BSS将机械振动源和声源分离，并将其应用于工业用泵的诊断分析。在这方面，国外的某些研究机构的研究取得了一些可喜的成果[1]。国外另一知名研究机构的GELLE等人，利用其团队的多年研究经验，基于两个小型直流电动机，采用卷积模型进行振动分析研究，通过模拟商用车悬置系统的模拟研究取得了较大的研究进展，证明了可以通过盲源分离分开两个电机的旋转角速度和一部分谐振频率，提高了商用车的舒适性。ROAN团队将独立分量分析（Independent Component Analysis, ICA）作为一种全新的非线性自适应算法进行大型车驾驶室前悬置系统的故障分析。通过最大化方法研究齿轮振动信号，发现BSS方法无法分离齿轮振动信息，从而在一定程度上得出商用车悬置系统隔振效果，但指出通过学习曲线，能够进行大型车算法故障检测所引发的冲击和数值变化，为进一步进行相关研究打好基础。

1 驾驶室振动和噪声原因

提高商用车乘坐舒适性的关键是解决商用车行驶中驾驶室的振动和噪声问题。驾驶室振动主要由路面随机激励和动力总成激励引起，发动机输出转矩的周期性波动和传动系统不平衡惯性力通过驾驶室壁板的振动产生辐射噪声。路面随机激励经车轮、车架和悬置系统的传递与总成激励振动相互影响耦合[2]。因此，驾驶室的振动是一个十分复杂的多振源耦合振动。

2 信号的盲源分离

信号的盲源分离（Blind Source Separation,BSS）是指在信号源的基本信息（比如信号的数目、所在的位置）暂时不明确的前提下，只依据一组传感器所获取的信号。因为其理论价值重要，并且具有广阔的应用前景，相关理论研究数量逐年增加。BSS在很多学科领域得到广泛的应用，尤其是在语音信号处理领域、超声波测试、生物信号处理领域得到广泛的应用和发展，涌现了大量优秀的盲源分离算法。然而，在机械振动信号处理领域，对于盲源分离的算法研究才刚刚起步，其应用也仅局限于旋转机械的故障诊断，基于盲源分离的减振和缓冲及降噪技术研究目前尚少有文献报道。

3 驾驶室的振动与整车振动密不可分

因此，驾驶室悬置系统隔振参数的优化包括悬置系统自身对振源激励响应的优化和整车环境下各悬置系统之间的匹配优化。通过ADAMS软件和ANSYS软件建立整车悬置系统的多体动力学模型，对底盘悬置、总成悬置进行综合匹配优化，获取可靠参数，获取驾驶室悬置系统的最佳隔振性能技术参数，为悬置系统的产品设计开发和减振降噪改造提供可靠的技术数据，课题的研究具有重要工程实用价值。

针对商用车驾驶室悬置系统的隔振问题进行研究，将盲源分离技术、模态分析技术与动力学建模仿真技术综合应用到商用车驾驶室悬置系统的产品开发设计[3]。以某型商用车驾驶室悬置系统的隔振特性为研究对象，研究商用车整车路谱振动信号的盲源分离方法，识别驾驶室在各种路况和车速下的激励振源特征信息，结合对驾驶室悬置系统的振动模态分析，探明振源激励与驾驶室悬置系统各阶模态之间的响应规律以及驾驶室悬置系统的隔振特性，为悬置系统的参数优化提供理论依据。通过ADAMS软件建立驾驶室悬置系统模型和整车多体动力学模型，进行整车环境下的驾驶室振动响应和悬置系统隔振特性动力学仿真，优化匹配悬置系统的技术参数，获得驾驶室悬置系统的最佳隔振技术参数，为悬置系统的产品开发提供可靠的技术数据，解决商用车行驶中驾驶室的振动与噪声较大问题，改善驾驶室的平顺性和舒适性，提高产品设计水平。

4 驾驶室悬置平顺性试验

为了改善常见某重型商用车的悬置系统的隔振问题，我们采用了该车型典型驾驶室悬置系统的一套驾驶室悬置系统，其结构形式如图1所示。前悬置的高度阀可以通过冲放气囊弹簧内的气体来进行高度的控制，在行车过程中振动时可以控制驾驶室相对于车架的垂向位置，从而可以达到比较舒适的目的，驾驶室采用的翻转机构可以实现驾驶室较小力量进行翻转，从而方便更换后悬置和检修发动机[4]。

图1中的驾驶室的前悬置采用左右对称这种常见的“剪刀”结构，这种结构特点是左右共同缓冲上下方向的弹力，上支架和驾驶室通过螺栓固定连接，下支架通过螺栓固定在车架上，空气弹簧为悬置主要承载、缓和冲击部件，垂直置于支架与摆臂之间，当驾驶室两侧在正常行驶过程中上下跳动量一致时，左右悬置间没有相对的位移运动，横向稳定器在这种情况下也没有载荷。

图1 驾驶室前悬置结构

图2中，驾驶室后悬置结构中的液压铰锁能够缓和驾驶室和后悬置各结构部件间的冲击能量，在关键位置安装了橡胶衬垫用来避免缓冲部件和振动部件刚性接触。驾驶室内驾驶员的靠背和驾驶员脚部地板处分别安装了单向加速度传感器，用来测量振动时悬置的加速度。具有前翻功能的商用车驾驶室可绕前悬置翻转点翻转，翻转的同时要求后置具备能断开连接的功能。液压系统的液压锁安装在上支架和浮动的横梁之间，螺栓将液压锁和浮动的横梁固定为一体，悬置系统采用筒式减震器，并将其安装于上下支架两端之间。能够起到缓冲减振作用，减振器能增加车身的横向稳定性，以便提高驾乘人员的舒适性。

图2 驾驶室后悬置结构

商用车的驾驶室悬置系统的结构和悬置元件所具有的力学性质决定了悬置的振动衰减能力（比如说在刚度和阻尼方面）。如果悬置的簧载质量或非簧载质量固有频率、车架模态频率，会严重影响驾驶室悬置系统隔振性能，导致其舒适程度降低[5]。

目前国内对驾驶室悬置系统隔振特性的研究，大部分都是针对乘用车进行的，对商用车悬置隔振性能的研究起步相对较晚，还缺乏完善的分析和开发设计体系，研究主要集中在底盘悬置系统和动力总成悬置系统，对驾驶室悬置系统尤其是对基于整车模型的驾驶室悬置系统的隔振特性研究还较少，产品存在驾驶室悬置系统与整车参数不匹配的问题，从而影响隔振性能。另外，将盲源分离的理论方法应用于驾驶室悬置系统的隔振特性分析尚未见文献报道。因此，开展基于盲源分离的商用车驾驶室悬置系统隔振性能与参数优化研究，对于提高商用车悬置系统的产品设计开发水平，改善商用车的舒适性和安全性，具有十分重要的理论研究意义和工程应用价值[6]。

5 驾驶室悬置系统结构分析

建立重型卡车整车动力学模型，对驾驶室悬置系统进行分析，这种情况的工作量巨大、耗时长，同时不容易保证驾驶室的悬置系统方面的精度，在研究驾驶室悬置系统时，特别是在盲源分离进行应用研究时，大多数情况下，只需要将大型车驾驶室的前后悬置及驾驶室（包含附属部件）的多体系纳入考虑。图3为商用车悬置系统的驾驶室与驾驶室结构中的前后悬置位置关系的示意图。

图3 驾驶室悬置系统示意图

6 驾驶室悬置仿真模型

驾驶室悬置模型的搭建采用通用基础模块和ADAMS/View软件在汽车领域的专用模块来建模。主要是通过模块化的方法，将整车划分为不同的子系统，对不同的子系统分别进行建模处理。再拿各个子系统分别用来建立系统模板，进行模块全方位的分析，最后经过通讯器的相关信息内容进行分析，相关部件装配为整车动力学系统，从而十分方便对单个子系统的替换调试，从而测得其相关参数数值。驾驶室前后悬置ADAMS模型建立方法相同，后悬置中也基本等同于刚性不变形部件，弹性阻尼元件除外。后悬置模型如图4所示。

图4 后悬置模型

基于盲源分离的商用车驾驶系统使用的多体动系统模型的建立涉及到大量参数，且都要经过实际实验才能获得，这样才能用来保证仿真模型的精确性，检测到的各参数比较精确，主要包括几何、力学、质量三个方面的参数。进行盲源测试时得到的各几何参数主要为各零部件的外形尺寸、关键固定、铰接等约束施加点的硬点坐标等方面的相关参数。力学参数包括气囊弹簧的刚度、液压减振器的阻尼系数以及力学元件的初始载荷、橡胶衬套的刚度等。质量参数包括各零部件的质量、转动惯量[7]。

7 水平和发展趋势

目前盲源分离已经应用于通讯、生物医学、语音识别等领域，并取得了很好的效果。然而，盲源分离仍然存在一些关键理论与实际困难需要进一步研究。比如说，如果信号源个数未知、信号源个数多于测量信号个数的BSS。目前多通过稀疏矩阵的方法进行这类模型的BSS，对相关参数进行精确的测量。主要通过欠定模型破除稀疏信号源的局限。在如何利用已有的知识来提高盲源分离算法的性能方面，线性卷积模型比线性瞬时模型更符合实际，各汽车商用车设计厂家的广泛应用，在这种情况下，需要将时域算法收敛的快慢和在频域里幅值和排列不确定等问题解决，以便能得到更精确的参数。至于对非稳态信号进行BSS，目前的研究主要局限于稳态信号，然而在实际通信中，非稳态信号往往比较常见。并且这种信号相对来说是十分复杂的。算法的通用性问题，现有的盲源分离算法都是针对某一领域问题进行的研究，每种算法都在一定程度上取得了成功，但算法缺乏通用性，从而使应用对象受到限制。

在运动机械结构中，像航空航天器（特别是发动机）和车辆运动结构的正常运转和试车过程中，运动机械的振动信号，特别是复杂的非平稳微弱振动信号的监测、提取与识别的理论方法和关键技术已经受到行业研究人员的广泛重视，借助于盲源分离技术的振动信号提取是一个很有前途的新的工程信号处理技术。目前，研究人员正不断地探讨其各种不同的分离手段和对信号的分离算法。