轻型载货汽车减振技术分析及优化设计

    引　言

    车辆的低频振动严重降低了汽车的乘坐舒适性和零部件的使用寿命,是影响车辆的质量和性能的关因素之一。然而,影响车辆振动的因素较多,如地面的不平度、车轮的动不平衡、发动机的冲击激励等[1],并且其内部的关系错综复杂,这些为车辆的减振技术研究带来了困难。

    笔者以某轻型载货汽车为例,研究了车辆低频异常振动的减振技术。首先,借助于HyperWorks[2]软件及整车振动道路测试技术,分析车辆系统低频振动产生的原因;然后,利用拓扑优化技术[3]对车架结构进行拓扑优化设计,研究了提高车辆固有频率的途径;最后,分析了驾驶室橡胶垫块刚度对车辆系统固有频率的影响,寻找改善车辆系统低频异常振动的方法和途径,并通过整车道路试验检验了理论研究和有限元仿真结果的合理性。

    1　车辆低频振动测试及振动异常原因分析

　　为了确定车辆异常振动的振动源及振动的传递途径,对满载工况下故障样车的振动情况进行了测试。测试采用压电式加速度传感器对驾驶室支撑、驾驶室、悬架及车架处的振动信号进行采集,对采集到的数据进行分析,得到的驾驶室自功率谱如图1所示。

    由振动测试结果及图1可知,故障样车以45～55 km/h的速度行驶时发生共振现象。在49 km/h时,驾驶室的自谱峰值频率为5.249 0 Hz,加速度均方峰值为0.065 1g2/Hz。振动频率随着车速变化而变化,表明该异常振动与车轮的动不平衡激励有关。

    2　车辆系统固有频率分析

    为了分析车辆系统的固有频率,可以用许多大小为10 mm的单元来逼近车架系统的几何形状,驾驶室及车厢总成采用质量及刚性单元来简化,建立的车辆系统有限元模型如图2所示。

    通过假设每个单元的某一简单解,运用协调和平衡关系来求解车辆连续系统的某一近似解。这样车辆连续系统固有频率的分析可以用多自由度无阻尼保守系统来近似,则其运动微分方程可以采用矩阵的形式表示为

    其中:m为车辆系统的质量矩阵;x为车辆系统的位移矩阵;xb为车辆系统的加速度矩阵;k为车辆系统的刚度矩阵。

    假设

xi(t) =XiT(t) (2)

    其中:Xi为常数;T为时间t的函数。

    式(2)表明两个坐标的振动位移之比与时间无关,即所有的坐标作同步运动。在运动过程中,系统的位形不能改变其形状但能改变其大小[4]。系统的位形可以用矢量的形式表示为

    称为系统的模态[5],所以