某汽车板簧系统振动传递特性试验研究_孙加平

收稿日期:
2010-01-22;修改日期:2010-04-14基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675099)和江苏省自然
科学基金资助项目(BK2007197)
作者简介:孙加平(1967-),男,汉族,山东省诸城市人,高级工程
师,硕士。

E-m ai:l
j m a0415@126.co m
文章编号:1006-1355(2010)05-0084-04
某汽车板簧系统振动传递特性试验研究
孙加平1
,安木金2
,李舜酩2
,张袁元2
,张德满
2
(1.北汽福田诸城汽车厂,山东诸城 262200;2.南京航空航天大学,南京 210016)
摘 要:针对某汽车驾驶室振动剧烈的问题,对其板簧系统的隔振特性进行了试验研究,通过在实际路面上的行车测试,得到了悬置系统两侧的振动加速度,进行了振动信号的时域分析、频谱分析、相关分析和传递特性分析,得出钢板弹簧的刚度大小是影响板簧系统振动传递特性的主要因素。

根据分析结果对该车板簧系统进行了改
进,改进后的板簧系统隔振效果得到了明显提高。

关键词:振动与波;汽车;板簧系统;传递特性中图分类号:U 461.3 文献标识码:A
DOI 编码:10.3969/.j issn .1006-1355.2010.05.019
Experi m ental Study on V ibration T ransfer Characteristics
of the L eaf Spri ng Syste m of an Auto mobile
SU N J ia-p ing 1
,AN M u-jin 2
,LI Shun -m ing 2
,Z HANG Yuan -yuan 2
,Z HANG D e -man
2
(1.Be iqi Futian Auto m ob il e Co .,LTD,Zhucheng ,Shandong 262200,Ch i n a ;2.N an jing Un i v ersity o fA er onau tics and Astronautics ,N anjing 210016,Ch i n a)
Abstract :To solve strong -v i b ration prob le m o f an auto m obile ,the vibration transfer character i s tics the leaf spring syste m is analyzed experi m entally .The v i b rati o n acceleration on both si d es of the suspen -sion syste m o f an auto m ob ile driven on act u al road is m easured .The ti m e -do m a i n analysis ,frequency spectr um ana l y sis ,re l a ti v e analysis and transfer characteristics ana l y sis of v i b rati o n signals are carried ou.t It is found that the stiffness m agnit u de o f the leaf spri n g is the m a i n factor w hich i n fluences the
transfer characteristics o f the leaf spring syste m.A ccord i n g to the results ,the leaf spr i n g syste m is i m -pr oved ,and its v i b rati o n iso lation effect is re m arkably raised .
Key words :v i b ration and w ave ;automobile ;l e af spr i n g syste m;transfer characteristic
汽车行驶时,由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车振动。

通常,路面不平是汽车振动的基本输入;往复活塞式发动机中,由于反复上下运动的活塞和燃烧过程,产生了附加力和扭矩,它们通过动力总成悬置(主要是橡胶元件)激发汽车底盘的振动;传动系振动由发动机激励产生;由于轮辋加工质量不佳(如中心不准)或轮胎本身质量分布不均匀等导致轮胎的不平衡,是引起汽
车振动的另一个常见的激励源[1-3]。

车轮通过板簧
系统与车架相连,车架通过驾驶室悬置系统与驾驶
室相连,当板簧系统的固有频率与车轮的激励频率接近时,就会对振动有放大作用,使乘坐的舒适性
降低[4]。

要减小驾驶室振动,就必须使减振系统的(固有频率避开激励源的主要频率。

本文针对某汽车驾驶室振动剧烈的问题,对其板簧系统的隔振特性进行振动测试,通过对振动信号的时域分析、频谱分析、相关分析和传递特性分析,找出影响板簧系统振动传递特性的主要因素,并进行改进。

1 振动信号测试
1.1 车辆状态描述
试验用汽车行驶过程中同样的路面条件下,在45km /h~55km /h 车速时驾驶室有剧烈的上下振
动,而在其他车速时振动不明显。

试验在晴朗无风的天气下进行,所用汽车为刚生产出来未进行其他试验的新车。

该车的板簧系统和驾驶室悬置系统的位置示意图如图1
所示。

图1 悬置系统位置和传感器安装位置示意图
F i g .1D i agra m o f the m ounti ng syste m
l ocation and sensor i nstall a ti on
该试验用路面为B 级公路路面,路面统计空间频率为0.011m -1
<n <2.83m -1
,在常用车速范围
(20k m /h~90km /h)内,时间频率范围为f =0.33~28.3H z ,路面在这个频率段所有能量贡献基本一样。

1.2 传感器布置和信号采集
试验所用的信号采集仪器是东华测试软件DH 5920,传感器为I CP 加速度传感器。

测试设备参数设置见表1。

表1 测试设备参数
Tab .1Para m eters of the test equ i pm en t 采样频率/H z 5000采样时间/s 6分析频率/H z 1950加速度传感器灵敏度
(mV /EU )5.1
测量工况
怠速、45k m /h 、50k m /h
和55k m /h 车速
车速在前轴与车架上靠近悬置点的位置、驾驶室底板上分别安装加速度传感器。

为了保证试验结果的准确性,传感器的安装位置应尽量靠近悬置点,并选在比较平滑而且刚性较强的区域上,安装牢固。

主要研究的是垂向的振动问题,保持传感器垂直安装在相应位置。

传感器安装位置示意图见图1。

准备工作完成之后,在各个工况下对板簧系统的传递特性试验,进行信号采集。

同时采集驾驶室底板在各工况下的振动信号。

2 试验结果分析
为了验证各悬置点两侧对应信号的相关性,对钢板弹簧每一个悬置点垂向的测试信号进行了相干分析。

平稳随机信号f (t)与x (t)之间的相干函数表示在整个频段内响应x (t)和激励f (t)之间的因果关系。

在实际中,总存在一定的噪声干扰,因此输入和输出信号间存在非线性关系。

相干函数可用来检验信号的置信程度[5]。

以50km /h 车速为例,左侧钢板弹簧上下的相干函数如图2
所示。

图2 板簧上下的相干函数图F i g .2T he coherence functi on diag ram of t he
upper and lo w er signa l of leaf spr i ng
通过比较可知,各对应测点振动加速度信号的相干系数均较高,说明测试数据可用于后续分析[6]。

对各工况下采集的钢板弹簧振动加速度信号进行了时域分析。

以50km /h 车速为例,左侧钢板弹簧时域图如图3
所示。

图3 车架(板簧上面)的时域信号F ig .3The ti m e -do m a i n si gna l o f the frame
(above the leaf spri ng syste m )
得到板簧系统各悬置点两侧的加速度均方根
值。

左右两侧的情况一样,这里只列出安装有传感器1、3、5的左侧的加速度均方根值,如表2所示。

比较可知,在经过板簧系统之后振动加速度均方根值变大了,说明板簧系统减振效果不好。

对各工况下采集的钢板弹簧振动加速度信号进行了频谱分析。

通过比较板簧上下的频谱信息,
得到钢板弹簧的传递特性。

表2 加速度均方根值比较(左侧)
Tab .2Co mparis on of RM S of th e accelerati on (left)车速v (km /h)
测点位置加速度均方根/(m s -2)前轴上(板簧下面)
1.11945
车架上(板簧上面)
2.614驾驶室底板1.141前轴上(板簧下面)
1.49550
车架上(板簧上面)
2.229驾驶室底板1.278前轴上(板簧下面)
1.63955
车架上(板簧上面)
2.291驾驶室底板
1.522
在频域上描述振动的规律用频谱,是对实际测得的动态时域信号经过FFT 变换得到。

非周期性振动x (t)的频谱用傅里叶积分表示,是连续谱。

频响函数(传递函数)反应系统的传递特性,是研究机械结构动态特性的重要工具,也是模态分析和参数识别的基础。

先对传感器5的振动信号进行频谱分析,然后
对传感器1、3和传感器2、4的振动信号进行频谱分析。

以50km /h 车速时为例,对安装有传感器1、3、5的左侧进行分析,见图4~6。

图4 驾驶室底板频谱图F i g .4T he spec trog ram o f cab fl oor
图4为驾驶室底板上振动信号的频谱图,主要的能量都集中在低频段,其他的部分能量较低,实际能量可以由几个主要频率的能量代替。

图4显示出了这几个主要的影响频率及其对应的谱峰值,这几个频率都是在20H z 以下,所以较低频段的频率
分析是重点。

1H z 以下是试验用传感器的测试盲区,采集的信号是不准确的,同时也不是所关心的频率,1H z 以下的频率不用进行分析。

可以确定影响驾驶室振动的主要频率为3.66H z 、10.99H z 、14.65H z 和
18.62H z 。

图5为前轴上信号的频谱图,主要谱峰对应的频率是前轴上测得的主要影响频率:3.66H z 、7.32H z 、14.95H z 和21.21H z 。

图6为车架上信号的频谱图,在经过板簧系统到达车架之后,由图6可知最主要的影响频率为3.66H z ,幅值变大了。

另外还有3.66H z 的2倍频和3倍频。

全部车速的板簧传递特性分析见表3。

已知板簧的固有频率为2.70H z ,可知钢板弹簧的固有频
率偏高,且由上述分析结合表3可知,板簧的固有频率与激励源中的主要的激励频率相接近,这样激励
频率在经过板簧系统传到车架上时能量被明显放大。

说明板簧的刚度太大影响了其减振效果。

3 改进及效果分析
如图5中所示,激励源中在3.66H z 以下无明显的峰值,因此可以通过减小钢板弹簧的固有频率来避免共振现象的发生,以改善钢板弹簧的减振效果。

对板簧系统做了改进,降低了钢板弹簧的刚度,板簧的固有频率由2.70H z 降到了2.30H z ,使
板簧的固有频率远离激励频率的范围[7]。

改进之后在同样的条件下进行试验。

对改进后试验采集的振动信号进行了时域分析。

表3 板簧系统传递特性分析
车速v (m /s -2)
前轴(板簧下面)板簧系统的频响函数
车架(板簧上面)频率f /H z 幅值(m /s
-2
)
频率f /H z 幅值频率f /H z 幅值(m /s
-2
)
3.360.433.361.883.360.7345
6.4112.510.070.256.414.236.410.303.66
7.020.250.213.666.412.2235.013.660.6050
9.4614.950.150.4614.950.547.02
0.19
3.970.31
3.972.57557.020.217.025.623.970.81
11.90
0.26
11.60
1.82
表4 改进前后的结果对比T ab .4Co m par ison of th e results b efore
and after the i m prove m en t
车速v (k m h -1
)
改进前的振动加速度均方根值(m s -2
)
改进后的加速度均方根值(m s -2
)
451.1410.712501.2780.79955
1.522
1.
137
由图7知,主要的影响频率在经过板簧系统之后与图6(改进之前)相同坐标下相比幅值已经变得很小,图中其它几个主要的谱峰对应的频率已不在影响乘坐舒适性的频率范围内。

说明更换钢板弹簧之后有效地减小了振动。

由图8与图4(改进之前)在相同坐标下比较可知,主要影响频率的幅值变小了,驾驶室振动明显
减小。

说明更换后的钢板弹簧隔振效果较好。

以上分析表明,钢板弹簧的刚度太大影响了减
振效果,其固有频率与激励频率接近,使振动幅值被放大,造成驾驶室的振动。

降低板簧的刚度之后,其隔振效果得到明显改善。

4 结 语
通过上述分析,可以得到以下结论:
(1)时域分析、频谱分析、相关分析和传递特性分析相结合的分析方法能够方便且有效的运用
于研究汽车悬置系统振动的传递特性中。

(2)板簧系统对驾驶室振动效果影响很大,通过振动测试和数据分析,合理地选择钢板弹簧,有助于减小驾驶室振动,提高乘坐舒适性。

(3)对板簧系统改进之后,其传递特性有明显改善,驾驶室振动的加速度均方根值明显减小,主要影响频率的幅值变小,乘坐舒适性满足要求,可知本文完成的试验、分析和改进措施是正确的。

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