车辆加速横向抖动前期开发控制
【摘要】 为分析某款城市越野车在加速过程中横向耸动的现象,文章通过测试分析,发现半轴轴向派生力的激励频率与动力总成的横向模态耦合,是引起车辆横向抖动的根本原因。文章以人体感知,制定了车辆抖动的目标;以动力总成、悬置、整车和减振器组建12 自由度模型,以此解析加速行驶工况下动力总成刚体横向模态;以半轴轴向派生力与座椅之间的振动数学模型,建立了车辆加速工况横向抖动问题的研究方法。CAE 分析及试验测试结果表明:通过控制半轴的轴向派生力或动力总成的横向模态可以控制车辆的横向抖动。【关键词】 加速横向耸动 12 自由度 刚体模态 三阶频率随着汽车产品迭代升级,SUV 逐步成为了众多客户的首选,部分选用大尺寸轮胎的SUV 在低速加速行驶时,客户能感受到车辆横向(Y 向)的抖动,而车辆振动是车辆性能感知的主要指标之一。上官文斌等通过建立动力总成的6 自由度模型计算了动力总成的位移[1] ;HILL 等建立了12自由度刚体模态模型,求解了动力总成自由状态下的刚体模态[2] ;HAYAMA 等建立了等速万向节在整车模型中的仿真模型,对等速万向节引起的整车振动现象进行研究[3] ;LEE 开发了等速万向节内连接关节摩擦测试仪,测量万向节内部的摩擦性能[4] ;谢磊研究了半轴使用角度对横向摆振的影响[5] ;林胜、李玲分别对某SUV 的横向抖动进行了后期分析和改进[6-7] 。本文重点通过对竞争车辆的横向抖动问题提取关键参数,以在车辆前期开发过程中,通过控制半轴轴向派生力及整车模态,进行整车级设计校核,进而在前期预防并控制车辆的横向抖动问题。车辆在低速加速过程中,发动机通过半轴将扭矩传递给轮胎, 涡轮增压发动机一般在1 500 r/ min之后会达到峰值扭矩。在半轴旋转过程中,当其轴向派生力的激励频率与动力总成的横向模态一致时,尤其在左右半轴产生的横向派生力相位一致时容易产生横向抖动问题,。二者耦合产生的力通过发动机悬置传递到车内座椅产生抖动,引发客户抱怨。根据参考文献[8],50% 健壮的人能察觉到的振动峰值为0. 015 m/ s2(Y 方向Wd 计权振动),人体反应的四分位的最高值可达到0. 02 m/ s2。人体能感觉到的Y 向振动vh 和座椅抖动vSeat之间的关系为从图1 中查得在频率为8. 75 Hz 时的Wd =0. 231,人体能感觉的座椅振动阈值和上限为0. 065 - 0. 087 m/ s2,即- 23. 7 到21. 2 dB(取1 m/ s2 作为参考值),取上限整数-21 dB 作为横向抖动感知的目标值。从竞争车的测试结果图2 中看出发生抱怨的轮速区间为170 -180 r/ min,半轴的1 阶激振频率为2. 83 -3. 00 Hz,由于半轴内节的结构是三叉销结构,所以半轴的3 阶轴向激励频率为8. 5 -9. 0 Hz。车内座椅整车坐标的横向抖动与轮速有3阶次关系。理论推测与测试结果一致,如图3所示。该车的刚体模态分布如表1 所示,其横向刚体模态是8. 75 Hz。半轴轴向派生力以8. 5 -9.0 Hz的激励力激起了动力总成的刚体横向模态,进而导致座椅抖动。针对后期出现的横向抖动与动力总成的姿态及半轴激励有关联,在车辆开发前期建立动力总成的开发模型对横向抖动进行评估分析。在整车坐标系下,由动力总成、悬置、车辆簧上质量和悬架组成的是两级12 自由度振动模型,如图4 所示。该模型考虑了动力总成的6 个自由度以及簧上质量的6 个自由度。假定该系统是线性定常系统,则该12 自由度的振动微分方程为式中:M 为质量矩阵;C 为阻尼质量矩阵;K 为刚度矩阵。对线性时不变系统,在复平面内将s 换成jω,便得到傅式域内系统运动方程。系统中任一点响应均可表示为各阶模态响应的线性组合[9] ,表示为本文研究的动力总成质量m1 = 293 kg,整车簧上质量m2 =1 188 kg,在整车坐标系下的转动惯量如表2 所示。左右液压悬置动静比取1. 9,前后橡胶悬置在频率小于20 Hz 的情况下,动静比取1. 4。左悬置的三向比分别取0. 8/0. 2,右悬置的三向比取0. 9。以悬置主方向动刚度为变量,以表3 系统固有频率及其解耦率为目标,优化求解得到各悬置的动刚度值(见表4)。在动力总成受到Y 向单位力,即F = (0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0)T 时,根据式(4)可得,系统中后悬置(动力总成与悬置系统隔振系统中离座椅最近点)及座椅的频响函数如图5 所示。试验数据表明,频响在刚体横向模态频率(8. 7 Hz) 处响应最大。半轴产生的轴向派生力通过差速器传递到动力总成,当输入激励力的频率与动力总成的刚体横向模态相耦合时,会引起动力总成的共振,进而影响车内振动。式中:qY,seat为动力总成Y 向力到座椅的传递函数;FY 为半轴的轴向派生力。从表5 可以看出,当该车的轴向派生力为35 N时,座椅振动就已经被感知。从式(5)可知,降低客户感知的方法有2 种:一是降低轴向派生力的大小;二是调节悬置刚度,进而优化其传递的频响。由于半轴中间的连接轴与其内节(即车轮轴向)有一定的夹角,所以车辆在行进过程中,半轴会产生一个轴向的分力被传递到差速器。如图6所示,目前半轴内节采用较多的是三轴销节型,半轴的轴向派生力随着半轴夹角的增大而逐渐变大。从图6 可知,高级节型的轴向派生力要远低于普通节型,而且都随着半轴夹角的增加,二者间的差值变大。在加速行驶时,其半轴的夹角主要由车辆静态的半轴角度决定,因此,在车辆设计初期定义好半轴角度至关重要。在开发后期,可控制前轮轮眉的高度,如减振器的高度。如对内节长为390 mm 的半轴,在减振器公差为±10 mm 范围内,其角度变化为± 1.45 °。对于半轴,可通过降低摩擦副的摩擦系数来降低轴向派生力,如选用高品质油脂,降低内节球笼的表面粗糙度等,半轴的轴向派生力在常用角度区间会降低30 N 左右,如图7 所示。对线性时不变模型,从式(4)可知,半轴轴向派生力对座椅横向的传递响应,由该模型中各阶模态响应的线性组合而成[9] 。在以刚体横向模态为目标的优化过程中,表4 中Y 向与Z 向(简称Y向比)的动刚度比是重要参数之一。以频响函数为优化目标,以前后悬置及左右悬置的Y 向动刚度比作为变量,从图8 可以看出,左右悬置的Y 向比对其横向模态的频响影响比较大。考虑其耐久性能,选取左右悬置Y 向比为0. 2,前后悬置Y 向比为0. 3,其横向激励频响如图9 所示,其刚体模态由9 Hz 降到7 Hz,在车辆保持相同速比时,发动机激励转速由1 800 r/ min 降到1 400 r/ min,加速响应明显变快;同时横向模态频响下降了8 dB,即使在相同半轴激励下,即在相同的轴向派生力下,座椅横向耸动也明显改善。本文对车辆加速过程中的横向抖动现象进行深入分析,建立了整车12 自由度模型,分析了动力总成Y 向力到座椅的频响函数及其影响因素;建立了半轴轴向派生力对车内振动的关系式,分析了影响轴向派生力的关键因素。通过分析得出如下结论:(1)早期定义半轴的类型,即选定轴向派生力的大小以及半轴在车辆布置中的角度,对控制整车轴向派生力至关重要;(2)在项目CAE 分析阶段,通过横向频响函数对横向抖动进行整车评估,及时修正半轴节型的选型工作;(3)在项目后期,通过监控减振器高度控制半轴的安装角度,进而控制轴向派生力。作者单位：(泛亚汽车技术中心有限公司,上海201208)
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首次发布时间：2023-04-14
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