汽车在起伏不平路面上行驶时的NVH综合技术

时间：2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：汽车以速度v在激励波长为λ的起伏不平路面上行驶时，受到路面传递来的路面频率为v/λ的激励。此处的起伏不平路面，是试验场内具有不同波长的路面，另外，供试验车辆为大型货车、小型货车以及乘用车。从结果可知，路面半波长和轴距接近时振幅增加。路面的形状，通常包括3/2波长的正弦波、4、6、8m的3种半波长路，另外，路面的振幅分别为30、40、50mm。

具有周期性激励的路面，其中有代表性的就是起伏不平路面。汽车行驶在起伏不平路面上时，发生关于车体振动及悬架的触底现象非常多，因此成为新车开发时一个重要的分析项目。

汽车以速度v在激励波长为λ的起伏不平路面上行驶时，受到路面传递来的路面频率为v/λ的激励。如果这个激励与车辆的簧上固有振动频率一致，将出现非常大的车体振动峰值，成为乘坐舒适性恶化的原因。

图8-31～图8-34中，是以车速为参数，通过起伏不平路面时的驾驶室加速度最大值的测试结果。此处的起伏不平路面，是试验场内具有不同波长的路面，另外，供试验车辆为大型货车、小型货车以及乘用车。

图8-31 车速与驾驶室振动的关系（一）

图8-32 车速与驾驶室振动的关系（二）

相对于对起伏不平路面有敏感车速的货车而言，乘用车却没有明显的特征。这是由于货车同乘用车相比，是以运送货物为目的的，底盘悬架的弹簧刚度高，簧上共振频率大。如果把图中的横坐标更换为由路面波长和车速求得的路面频率，可以看到当簧上共振模态与路面频率一致时，振动幅值变大。在制定试验计划时，预先假定对各种起伏路面敏感的车速，既能保证评价试验不漏失，还能有效地推进试验。

图8-33 车速与驾驶室振动的关系（三）

图8-34 路面频率与舒适性的关系

汽车在起伏不平路面上行驶时对乘坐舒适性的影响如前所述，主要取决于相对于车速而变化的路面频率和簧上共振模态之间的关系，再者，路面的激励是通过前轮和后轮两个渠道传递而来的，轴距的影响也很大。

路面半波长和轴距一致时振动会增加，这一点在模拟计算和台架激励试验中得到了确认。这是由于此时前轴和后轴的相位相反，俯仰振动有增加的倾向所致。

如以上所述的试验结果，对于振幅增加的三点，以相对于路面振幅除以路面激励的驾驶室振动加速度为纵坐标，以路面半波长为横坐标后整理得到的数据，如图8-35所示。从结果可知，路面半波长和轴距接近时振幅增加。

图8-35 路面半波长和轴距的影响

其次，以小型货车为例，来说明轴距减小后，在起伏不平路面上行驶时因簧上俯仰共振所引起的乘坐舒适性恶化状况及技术背景。

小型货车有很多优势，如易驾驶、省油、普通的驾驶证即可驾驶等，不需要专业的驾驶人，新驾驶人以及女性驾驶人等都可以驾驶，所能行驶的路面也灵活多样，因此在日常生活中有非常大的使用空间。但是，小型货车的乘坐舒适性，同乘用车和大型货车相比处于劣势，事实上，小型货车的用户，通常对乘坐舒适性有着很严格的评价标准。在提高小型货车的乘坐舒适性而付出努力的同时，通常要顾及到车型等条件的限制，在中大型货车上使用的技术无法在小型货车上应用。以下是关于小型货车的振动、乘坐舒适性等方面的特征比较。

1）车辆尺寸特征。

●小型货车型限制（相对于大型货车）：悬架行程、布置空间。

●轴距短：俯仰模态振动幅度大。

●空/满载比大（相对于乘用车）：为了确保车的姿态，后悬架较硬。

2）车辆的使用状态特征。

●经济性限制（相对于乘用车、大型货车）：高价格的部件使用限制。

●重量限制（相对于乘用车）：附加部件的限制。

●载重量的多样性（相对于大型货车）：乘坐舒适性变化大。

●重心高度多样性（相对于乘用车、大型货车）：旋转模态优先的高弹簧刚度悬架。

受这些条件的限制，小型货车的振动会成为哪种状态，以及在起伏不平路面上行驶时的振动与大型货车、乘用车的比较结果如图8-36所示。同时，对小型货车乘坐舒适性影响最大的俯仰模态也一起列出，如图8-37所示。

图8-36 通过起伏路面时的振动水平

图8-37 驾驶室前后振动

其次，根据2自由度模型的乘坐舒适性的分析，为了提高乘坐舒适性，设计上的注意事项总结如下。

分析模型及基本运动方程式如图8-38所示，分析结果如图8-39所示。从分析结果中可知，短尺寸车的前悬架系统对乘员位置的上下振动幅度，以及后悬架系统对前后振动幅度的影响大，以降低俯仰振动幅度为主要目的，后悬架的刚度较低时有效。

对于大型货车的短轴距车是同样的，后悬架的板簧特性、板簧间的摩擦、吊耳部位的摩擦，或者减振器、轮胎特性等，在后悬架系统设计时需要加以注意。

图8-38 2自由度分析模型

图8-39 弹簧刚度的影响

对于在起伏路面上乘坐舒适性的评价方法，一般是对一些物理量进行测量并加以定量评价，另外，关于起伏路面上乘坐舒适性的评价标准设定，应该参考车辆的响应分析结果。重要的是要在同样的路面条件下进行评价，推荐在模拟起伏路面的试验场内进行测试。

下面对试验场内的模拟路面加以说明。常用的起伏路面多是用沥青材料修补铺设而成，事先对市场上的沥青修补路面情况进行调查，然后根据调查结果仿制成试验路面。路面的形状，通常包括3/2波长的正弦波、4、6、8m的3种半波长路，另外，路面的振幅分别为30、40、50mm。半波长路面，高速公路上多数是8～10m，而一般路面上，通常比这个稍微小一些，为4～8m，路面的振幅，通常是30mm，也有一些是50mm以上的，在设计上，可以在30～50mm的范围内设定，如图8-40所示。

其次，对主观评价法加以说明。主观评价法虽然是乘员主观上的感觉，但一般都是与人体构成要素所拥有的固有振动频率相关的，一般可以转化为定量结果。众多的研究报告显示，Meister等感度曲线，是基于对加速度等物理量的测试结果与主观评价结果相结合后制作的，在行业内被大量使用，如图8-41所示。

介绍一下实际的评价实验。根据车辆的不同特性，使用大型货车、小型货车、乘用车和大型巴士四种车型，在模拟路面（起伏路面）上以40～110km/h的速度行驶，同时测试加速度，并进行主观评价（10分制）。评价者选择的是对乘坐舒适性评价实验非常熟练的3人。加速度测量选取的是驾驶室3点和座椅3点，一共6点。对测试结果和主观评价结果进行说明，表8-2中为测量点的加速度最大值和评价点的关系。

图8-40 起伏路面

图8-41 Meister等感度曲线

表8-2 舒适性测试结果与主观评价的相关性(www.xing528.com)

以驾驶室上下、前后、左右3个方向的加速度矢量和进行评价，该数值的相关系数0.9为最高，作为评价指标认为是舒适的。另外，座椅的加速度也采用同样的评价方法。但是，座椅的加速度测试，需要乘员的体重、驾驶姿势等条件要保持一致，这样就有不稳定性因素增加，测试时还需要仔细调整，所以通常对乘坐舒适性的评价只是评价驾驶室的加速度。从试验结果中，可以得到加速度的最大值（3个方向的矢量和）和主观评价得分的相关系数。但是，图8-42中的结果，由于评价得分低时的数据比较少，很难得到比较准确的评价结论。

图8-42 舒适性评价实例

总结一下为了提高起伏路面上行驶时车辆的乘坐舒适性而采取的设计方法。图8-43～图8-45分别为在3Hz、6Hz、10Hz的起伏路面上行驶时，各悬架弹簧对驾驶室振动的影响程度。和随机路面上行驶时的情况相同，底盘悬架对乘坐舒适性的影响最大，对其加以改善可以得到最有效的结果。但是，底盘悬架的低刚度特性对其他性能的影响也很大，在设计中要注意平衡相关性能，以得到最佳的方案。

1）3Hz起伏路。

图8-43 减振系统的影响（3Hz起伏路）

2）6Hz起伏路。

3）10Hz起伏路。与随机路面上的乘坐舒适性分析相同，一般用设计自由度较多的驾驶室悬置作为分析对象。此时，从螺旋弹簧到空气弹簧，以及附加行程调节机构，对搭载性和防振性这一对立性能进行研究。

在3种起伏路面频率中，对于最低的3Hz起伏路面，降低弹簧刚度，驾驶室悬置的共振模态和底盘悬架的共振模态可以设计得更低，但是如果过低的话，会有触底现象发生的可能。同样减衰力设计得过低的话，触底现象也有可能发生，应该存在一个弹簧刚度和减衰系数的最佳平衡点。图8-46中的结果，是根据驾驶室悬置的优化来控制簧上共振的振幅。

基于以上分析结果，当考虑因轴距的不同而产生的误差时，设定起伏路面上行驶时的目标值及评价标准，图8-47为一个应用案例。

另外，以高度为30mm的起伏路面为例，各个车型乘坐舒适性的改善和现状，以及今后的目标，在图8-48中列出。结合以上所述的各种影响因素，对各车型的乘坐舒适性追求性能的提高。

如前所述，乘坐舒适性和操稳性是相关的，在研究货车的形态和特性时，应该把这两种性能放在一起。为此，以综合操稳性和乘坐舒适性分析的CAE方法为目的，在工程上一般使用能综合考虑以上两种性能的ADAMS软件的Vehicle Model模块。下面介绍几个该方面的应用案例。