10.16638/jki.1671-7988.2017.21.061
许德江，胡志强，韩磊，高安波
（北汽福田汽车股份有限公司奥铃技术中心，山东诸城262200）
摘要：文章针对某商用车在高速工况时驾驶室出现异常振动问题进行研究。进行了整车道路试验、偏频试验和驾驶室模态试验，试验结果表明，异常振动原因为轮胎滚动频率、非簧载质量偏频和驾驶室一阶扭转模态发生耦合。根据驾驶室扭转刚度与扭转模态之间的关系，对驾驶室关键钣金件进行了加强，以提高其扭转模态。根据加强方案对驾驶室进行了改进，并进行了道路试验验证，结果表明，加强方案明显降低了问题车速下驾驶室振动峰值，异常振动消失，改进效果明显。
关键词：商用车；驾驶室；振动；模态
中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-178-03
Structure Optimization of Commercial Vehicle’s Cab for Vibration Reduction
Xu Dejiang, Hu Zhiqiang, Han Lei, Gao Anbo
( Ollin R＆D center, Foton, Shandong Zhucheng 262200 )
Abstract: This paper studied for reducing the abnormal vibration of a commercial vehicle’s cab at high speed. The vehicle road test, bias test and cab modal test were done for analyzing the cause of the abnormal vibration. The data of test indicated that the frequency of tire rolling, the non- sprung mass natural frequency and the cab’s first-order reverse mode were coupled. According to the relationship between the torsion stiffness and the first mode of the cab, some key sheet metal parts of the cab were reinforced for improving its fist torsion mode. The road test was done for verification. The result indicated that the peak vibration of the cab under the speed reduced significantly. The improvement effect is obvious.
Keywords: commercial vehicle; Cab; vibration; mode
CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-178-03
引言
商用车高速工况的NVH性能主要受轮胎、悬架、传动及车身系统影响。作为载运工具，商用车需要长
时间行驶在高速公路上，并保持90km/h左右的车速，因此高速状态的振动噪声更加明显的影响驾乘舒适性，恶劣的车内NVH环境易引起驾驶员的急躁与疲劳，提高交通事故发生率，长时间的影响易造成驾驶员身心健康问题[1] [2]。
本文所研究样车在高速工况下驾驶室出现异常振动，车内噪声明显提高。作者通过轮胎系统激励分析、悬架系统偏频分析和驾驶室系统弹性固有频率分析，运用振动测试与分析手段，对异常振动现象进行了分析与诊断[3]。
1 驾驶室异常振动测试与分析
在样车驾驶员座椅导轨处布置加速度传感器，如图1所示。试验在某汽车试验场性能道路进行，试验工况为超速档（5档）缓踩油门踏板，使车速从45km/h缓慢升至100km/h。
采集座椅导轨处加速度信号并基于发动机转速进行阶次
作者简介：许德江，就职于北汽福田汽车股份有限公司奥铃技术中心。
许德江等：某商用车高速工况驾驶室异常振动控制研究179 2017年第21期
跟踪，如图2所示。可以看出该测点处0.26阶次振动幅值比较明显。已知样车变速器5档速比为0.87，
主减速比为4.42，则车轮相对于发动机曲轴速比为3.85，车轮旋转的阶次为速比的倒数，即0.26阶为车轮旋转阶次，因此可由图2推断样车驾驶室振动主要来源于轮胎激励。
图1 加速度传感器布置位置
为研究轮胎激励引起的振动随发动机转速变化情况，对0.26阶进行切片分析，如图3所示，发动机3110
r/min转速下，阶次振动达到峰值，根据轮胎速比及轮胎滚动半径（307.8mm）可以计算获得该转速下车速为94km/h，与样车反映振动异常问题车速对应。说明轮胎激励与异常振动现象密切相关，是该问题的激励源。
图2 座椅导轨处振动加速度阶次跟踪
图3 座椅导轨处振动加速度轮胎阶次切片
根据轮胎阶次可以计算，问题转速时轮胎激励频率约为13.5Hz。该频率可能与样车非簧载质量偏频及驾驶室固有频率相近。为此，进行了偏频测试，如图4所示。根据振动周期计算获得偏频约为13.8Hz。可见轮胎滚动阶次激励频率与非簧载质量偏频发生了耦合。
图4 簧下质量偏频测试数据
仅仅轮胎滚动频率与非簧载质量偏频的耦合可能不足以激起剧烈的驾驶室振动，且解决此类问题需变换轮胎滚动半径，这对于已经成型的整车匹配来说难以接受。因此为进一步寻异常振动原因，对驾驶室系统的固有频率特性进行了试验和分析。
2 驾驶室模态与扭转刚度测试与分析
低频率下的固有特性一般为整体模态，因此进行了驾驶室系统整体模态试验，根据驾驶室结构特征，确定了24个拾振点。试验采用自由悬挂方法进行，激励源为两个对向布置的激振器[4][5]，如图5所示。最终测得的第一阶整体扭转模态频率为14.3Hz，振型如图6所示。
图5 MODAL 110激振器
图6 整体一阶扭转模态振型
驾驶室第一阶扭转模态频率与问题车速下轮胎滚动频率及非簧载质量偏频十分接近，因此可以确定问
题车速下异常振动原因为轮胎滚动激励，非簧载偏频与驾驶室一阶扭转共振耦合。
该问题解决思路为提高驾驶室一阶扭转固有频率。而扭转固有频率和驾驶室的扭转刚度密切相关，提高扭转刚度即可明确有效提高扭转固有频率。
图7 驾驶室扭转刚度计算加载示意图
对驾驶室扭转刚度进行了分析和计算。如图7所示，约
汽车实用技术
180 2017年第21期
束了车身前中点Z向移动自由度、车身后左悬置点XZ向移动自由度，以及后右悬置点XYZ向移动自由度。在车身前悬置处施加两反方向力载荷，大小为1000N。扭转刚度计算如式1所示。
K=FD/θ（1）其中F-施加载荷；D-加载点间侧向（Y向）距离；θ-加载点扭转角度。
图8 驾驶室扭转加载后位移
测量后发现驾驶室扭转刚度为5634N·m/ °，欲提高其一阶扭转模态，需提高扭转刚度，根据驾驶室结构，对A 柱、地板与顶棚横梁等零件进行了增加钣金厚度的改进，如表1所示。
表1 驾驶室部分零件改进
对部分钣金件进行改进后重新计算了驾驶室扭转刚度，改进前后对比如表2所示，可以看出，扭转刚度提高比较明显。
表2 转向系统模态频率对比
3 试验验证
对改进方案进行了整车振动测试以验证效果，试验时的场地、气温、路面条件等外部条件，和整车载荷、驾驶员、轮胎、传感器位置等内部条件均与本文前部分诊断试验相同。
采集并对比分析了驾驶员座椅导轨处的振动加速度幅值，如图9所示，可以看出，问题车速下（发动机转速3110r /min）座椅导轨处振动峰值明显下降，振动幅值基本随车速平滑上升，主观感觉问题车速下驾驶室异常振动消失，改进效果良好。
图9 座椅导轨处振动加速度幅值
4 结论
针对某商用车驾驶室异常振动问题，本文进行了整车道路试验，采集并提取了驾驶员座椅导轨处的振动加速度。数据分析表明，问题车速下异常振动峰值与轮胎关系密切，系由轮胎滚动激励引起。为进一步分析原因，进行了偏频试验与驾驶室模态试验。道路及模态试验表明，驾驶室异常振动原因为轮胎—非簧载质量偏频—驾驶室一阶扭转固有频率耦合。
根据扭转刚度与扭转模态之间的密切关系，提高了驾驶室扭转刚度，并进行了整车道路试验，试验结果表明，问题车速下振动峰值明显降低，异常振动消失，主观评价良好，改进效果比较明显，表明本文所用分析方法的正确性。本文的研究思路与方法能够为相似的工程问题提供参考。
参考文献
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[4] 靳晓雄，张立军，江浩. 汽车振动分析[M].上海：同济大学出版社,
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