客车的振动分析

客车样车路试过程中却出现了一系列振动问题,主要表现为: (1) 汽车起动时发动机抖动厉害; (2) 当车速在40 km/ h 左右时,整车有共振现象; (3) 当车速在85 km/ h 左右时,整车有明显振动; (4) 当车速超过118 km/ h 时,驾驶区及方向盘有强烈振感。

由于上述振动的存在,一方面大大降低了该车驾乘的舒适性和运行中的安全性;另一方面,造成一些主要总成件(如发动机、变速器、后桥等) 的早期损坏;同时,也使得汽车上很多结构件出现疲劳断裂,从而进一步加剧了整车或局部振动。

为方便分析,可以将汽车的振动分成自激振动和受迫振动两大类。自激振动是由于物体自身受力、做功、运动等原因产生的各种振动;受迫振动是由于物体受其它振动源的激励而产生的振动。在汽车振动中,自激振动包括发动机工作过程中由于惯性力矩和干扰力矩产生的振动、传动轴动不平衡及附加弯矩等因素产生的振动、变速器和驱动桥内部传动齿轮啮合撞击产生的振动、轮胎轮毂高速旋转时动不平衡产生的振动、空调压缩机工作时的振动等。这些振动与因路面不平所产生的整车随机振动一起构成了汽车一切振动的根源。前面提到的汽车起动时发动机的剧烈振动就是由于发动机起动瞬间其惯性力矩作用的结果。其它诸如车架振动、车身振动及整车共振等均是受迫振动。当受迫振动体的固有频率与振动源的振动频率接近时,即会产生共振。为方便研究,一般将客车前后悬架与簧载质量之间简化成具有固定频率的振动系统,图1 是该振动系统的两种简化模型。

根据振动学原理,上述单自由度振动系统简化模型的固有频率为:f = (1/ 2π) K/ Μ ,其中K 为悬架的刚度,M 为簧载质量。除了上述振动系统外,簧下质量与悬架系统同样可以组成一个具有固定频率的振动系统。两个振动系统的固有频率不同,一旦受到其他振源激振,会产生两个频区的共振,并通过悬架和车架传递给车身,表现为整车剧烈振动。客车在40 km/ h 速区和85 km/h 速区的振动初步判断应为上述两类共振所造成的。从理论角度来说,可以通过改变振动系统的固

有频率、控制振源、提高整车的动态刚度等措施,改变共振发生的频率,降低振动强度,尽量避免客车在常用速区发生共振现象。

当然,由于汽车振动的复杂性,许多振动是互相叠加、互相激励、互相影响的。故有时同一振动中会同时存在自激振动和受迫振动,象前轮摆振就是自激振动和受迫振动共同作用的结果。通常把包含前轮、前桥及转向装置在内的所有振动统称为前轮摆振。发生前轮摆振时,车轮除了左右摆振,而且会出现上下跳动,不但转向系在振动,甚至感觉整个汽车都在振动。影响该振动的因素包括前桥转向梯形的刚度、前轮定位的精度、轮胎的动平衡状况、车速、前桥轴荷以及道路情况等诸多因素。图2 为汽车前轮摆振的简化模型。

当客车车速达到一定限值时,转向梯形的动刚度已不能适应相应速度的要求,轮胎轮毂动不平衡产生的振动进一步加剧,前轮定位的精度对振动的影响也更加敏感。所有这些,都导致前轮摆振发生的概率不断加大,强度快速增强。客车在118 km/ h 以上速度驾驶区方向盘有强烈振感的现象实际上就是前轮摆振的一种表现形式。为了消除或减轻客车的上述振动现象,我们认为应从以下几方面着手: (1) 控制振动源的振动; (2) 在振动传播过程中增加阻尼,使振动逐级衰减; (3) 改变受迫振动体的固有频率,避免产生共振; (4) 增加系统的动刚度,尽可能地减轻振动强度。