商用车共振问题实例研究

郭志强，唐庆伟，曹德本

（奇瑞商用车（安徽）有限公司，安徽 芜湖 241000）

商用车共振问题实例研究

郭志强，唐庆伟，曹德本

（奇瑞商用车（安徽）有限公司，安徽 芜湖 241000）

商用车共振问题对整车的寿命和驾乘人员的健康影响极大，文章通过对某轻型商用车品牌开发过程中关于共振问题的处理，探索及总结商用车共振问题在设计初期共振预防、问题点排查、降低振幅、改变共振点的方法和经验。

轻卡；共振；动平衡；刚度；平顺性

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.015

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-43-03

引言

随着中国汽车工业的发展，传统的商用车正在面临着一场技术升级换代的变革，这场变革从2013年开始强制淘汰黄标车、2014年发动机排放全面升级国Ⅳ、2016年全面实现整车标配ABS（防抱死系统）、2017年发动机排放全面升级国Ⅴ等陆续出台各种新法规、限排放、限重……

变革不仅仅是行业趋势要求，更是时代在预示着不转变即灭亡的永恒真理。国力的增长、经济的发展，人们对商用车（轻卡）的要求不再停留在多拉、能跑的原始要求上，转而对舒适性、经济性、环保、适应法规的要求越来越强烈，我们还在等待国外商用车攻城时才想起自身变革？显然是不可取的。用户对商用车驾驶舒适性尤其是常用速度段的共振抱怨一直未得到很好的解决，这也促使我们对该课题的进行深入的探索及研究。

1、问题描述

某品牌轻卡商用车样车动态检验过程中反馈出现车辆正常行驶中车身抖动故障（速度： 45-60km/h），发生率初步统计约占总数的10%，低于该速度段或高于该速度段振动消失。具体现象：试车员反馈行驶到45-60km/h区域时明显感觉方向盘抖动异常，腹部及大腿随车辆垂直方向抖动，感到不适，持续在该速度段行驶振幅有扩大的趋势，加速或减速后现象明显改善。

2、共振问题分析

2.1 共振现象

共振现象是指一个物理系统在其自然的振动频率下趋于从周围环境吸收更多能量的趋势。当一个系统发生振动时引起另外一个与之频率相近的物体相应发生振动，这被视为发生共振。

整车作为一个弹性元件的集合体，具备一定的质量和弹性阻尼，产生共振是不可避免的，每个车都有共振点，区别在于各自的共振点不同，一般要求在常用工作速度下不产生共振视为合格产品，普遍认为共振时车速越高车的质量越好。

2.2 影响因素

从整车结构上分析可分为：

a、汽车动力系统引起的共振

b、悬挂及车轮系统引起的共振

c、传动系统引起的共振

d、车身振动

2.3 共振因素分析排查

2.3.1 汽车动力系统引起的共振（下述验证方法仅限于专业试车道及专业的调教员使用，非专业人员勿模仿尝试）

A、共振汽车全部是3360轴距2X2驱动轻型载货汽车，后轮驱动配备康明斯发动机、朝柴动力、五十铃动力、扬柴动力在所有样车中未显示专属某型号动力系统；

B、空挡启动怠速状态下验证未感觉抖动；（怠速状态发动机抖动幅度比行驶时略大）行驶到共振点时挂空挡滑行，仍未见共振消失；（可判定动力系统变化对共振影响较小）；

C、加速行驶到70km/h后挂空挡，息停发动机，整车处于无动力状况，自由滑行道至共振区，未见共振改善；

D、将整车驱动后桥顶起，四轮处于悬空状态进行运转测试，到达共振速度后测试未造成共振现象；

综上所述可排除动力系统异常引起的共振问题。常见动力系统异常主要为冷启动抖动较大、节气门或喷油嘴异常抖动、油压不稳、悬置系统刚度或约束不良造成的异常抖动，在此不再一一介绍。

2.3.2 悬挂及车轮系统引起的共振

A、减震器失效，前钢板弹簧刚度不一致，样车零部件均为新件，同时也尝试更换了板簧、减震器症状未缓解，此因素可排除；

B、前后悬架刚度不匹配造成偏频接近形成共振；该问题在设计初期应重点校核，防止前后偏频接近，可通过更改板簧刚度进行调节。试验对比中二类底盘较栏板型整车发生共振的概率要大，同时对前板簧减少片数（降低刚度）后产生有效改善，初步认定此为解决该问题的原因之一；

C、前轮定位角失准，前束过大；众所周知，前束偏大会造成跑偏及侧滑，引起轮胎异常磨损，同时也会感觉方向盘沉重，用户在不断调整方向盘的过程会造成转向器中速摆振，造成车辆行驶摆动产生共振。验证中对有问题的车辆进行重新四轮标定排除此问题，前束参考经验值：子午胎1-3mm，斜交胎2-4mm。初步认定此也是解决该问题的原因之一；

D、前轮胎气压过高过低或轮胎由于修补等原因引起动不平衡。试验验证将轮胎气压按标准值增加20Kpa，有轻微改善作用，同时对轮胎动平衡、钢圈动平衡总成装配后实现100%复查，动平衡超过220g的造成整车跳动的概率远大于正常合格范围内的轮胎，钢圈径向跳动大于1.8mm的也会使整车在行驶过程中产生共振。通过更换轮胎和钢圈后，该现象明显改善。初步认定此为解决该问题的原因之一。

E、车架扭曲、铆钉松动或前轴变形造；该问题通过对过程车架的检测，且前轴、车架未受到撞击，变形的可能性较低，该因素排除。

2.3.3 传动系统引起的共振

传动轴弯曲，动不平衡；试验中达到共振速度后进行不断切换档位及脱档滑行进行验证，未发现改善和加剧现象，但传动轴运转对比中发现有啮合间隙好的车比有轻微松动的车辆共振振幅要小些，同时对选取标定过的传动轴进行更换，也有助于该问题的改善。初步认定此为解决该问题的原因之一。

2.3.4 车身振动引起的共振

A、通过试验对比竞品车型中使用双扭杆的车辆较单扭杆车辆行驶稳定性要好，此为杆系受力不均匀造成，不再具体阐述，初步认定此为解决该问题的原因之一。

B、通过调整扭力杆扭力，改制翻转机构增加扭杆强度对比验证中，橡胶刚度达到75N/mm左右，车头摆动有改善，同时对后支撑的橡胶衬套进行预压紧增加其连接刚性，也产生了较为明显的改善。初步认定此为解决该问题的原因之一。

3、组合验证及结论

根据上述有对改善有作用的方案进行排列组合，寻找到最佳方案，并进行测评。

表1

整车发生抖动共振产生的因素很多，因根据具体的情况进行区分、判断。本课题中通过更改悬架刚度、车身悬置的刚度、控制轮胎的动平衡，最终将该问题给予解决。

4、预防

共振问题应在设计初期即进行模态分析，避免后期出现大的设计改动，造成成本浪费。

现采用ADAMS软件建模仿真的方法对整车的平顺性进行评价。针对HB11A/HB12A栏板车型，根据汽车各系统的设计参数，在MSC.ADAMS/CAR 模块中建立了前后悬架、转向系、车身、轮胎等子系统的仿真模型。按照国标GB/T 4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶实验方法》的要求，在车速60、70、80、100km/h和B级路面进行整车平顺性仿真。通过测量得整车质心处的加速度信号，并通过处理得到相应的加速度自功率谱密度值。首先导入整车部件各子系统，选择进行仿真所需要的四柱实验台，构建平顺性实验台，如图1所示。

路面不平整度主要采用路面功率谱密度描述其统计特性，不同等级的道路，其路面不平度的频谱结构大同小异，通常用式（1）来表示路面空间功率谱密度：

式中：n—空间频率，它是波长的倒数，m-1；

no—参考空间频率，no=0.1 m-1

Gq(no)—参考空间频率no下的路面谱值，称为路面不平度系数，m2/ m-1；

W—频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率。

在ADAMS中使用INVPSD函数求得时域内的振动信号，其中车速为80km/h的路面激励信号如2所示。

实验仿真分析

垂向的加速度自功率谱密度函数，可由ADAMS的后处理模块中FFT（快速傅立叶变换）得到，如图6所示。

椅面垂直轴向z的频率加权数w，最敏感频率范围标准规定为4～12.5Hz，在 4～8Hz这个范围内，人的内脏产生共振，而8～12.5 Hz频率范围的振动对人的脊椎系统影响很大，就是说人体的敏感频率范围为 4～12.5Hz。由图6可以看出：在 2.26 Hz 附近振动最为强烈，共振点大约为 2.5 Hz，低于 4Hz，曲线表明系统避开了这个范围。

当评价振动对人体健康的影响时，同时考虑x,y,z这三个轴向，且x、y两个水平轴向加权系数取k=1.4,比垂直向更敏感，z轴加权系数为1。

计算轴向加权加速度均方根值

其中：aw(t)为记录的加速度时间历程，T为振动分析时间。

当同时考虑三个方向的振动时，三个轴向的总加权加速度均方根值按公式3计算：

计算轴向加权加速度均方根值aw，得到各测量点的计算结果，对应表1的人体主观感觉，得出评价指标。结果见表2。

表2 平顺性计算表

[1] 余志生.汽车理论.清华大学主编[M].机械工业出版社.

[2] 何渝生.汽车振动学[M].人民交通出版社.

[3] 谢卫国.货车平顺性预测与优化.汽车工程[M].

[4] 张洪欣.汽车行驶平顺性的计算机预测[M].

[5] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社.

Study on the Resonance Problem of Commercial Vehicle

Guo Zhiqiang, Tang Qingwei, Cao Deben
( Chery commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000 )

The resonance problem of commercial vehicle has great influence on the life of the vehicle and driver's health. In this paper, the problem of the resonance of a light commercial vehicle brand development process was study. And some Methods and experiences to change the resonance point were put forward by sum up the resonance problem of commercial vehicle in the initial design of the resonance prevention, the problem of the investigation, and reduce the amplitude.

Light truck; resonance; dynamic balance; stiffness; Harshness

U462.1

A

1671-7988(2016)10-43-03

郭志强（1983—）， 男，安徽蚌埠人 学士，高级设计师，就职于奇瑞商用车（安徽）有限公司，研究方向：汽车平顺性及操控稳定性。