踏步框怠速振动直接影响着驾驶员的驾驶舒适性，不利于提高驾乘体验。为了解决某型重卡左踏步框的振动问题，首先对现有结构的模态及频响进行了计算，发现踏步框结构存在29.1 Hz的频率，表现为左踏步框沿整车纵向的振动，这与实车出现的踏步框怠速抖动情况相吻合；然后提出了3种优化方案，通过有限元方法对3种方案的模态及频响进行了分析，通过结果对比并结合整车实际布置方案，认为第3种方案是最佳的；最后对第3种方案进行实车验证，左踏步框振动改善效果明显。 The vibration of step frame directly affects the comfort of driver, which is not conducive to improving the driving experience. In order to solve the vibration problem of the left step frame of a certain type of heavy truck. Firstly, modal and frequency response analysis of the old structure is carried out, it finds that the old structure has a frequency of 29.1 Hz, and at this frequency the left step frame vibrates along the longitudinal direction, which is consistent with the idling vibration of step frame in real truck. Secondly, three solutions are proposed, modal analysis and frequency response analysis of the three schemes are executed by finite element method. The third scheme is considered to be the best by comparing the results and combining with the actual layout scheme of the whole truck. Lastly, the third scheme is verified by actual truck and the vibration of the left step frame is improved obviously.
王毅，谷永强，张阳
三一集团有限公司，湖南 长沙
收稿日期：2019年11月19日；录用日期：2019年12月2日；发布日期：2019年12月9日
踏步框怠速振动直接影响着驾驶员的驾驶舒适性，不利于提高驾乘体验。为了解决某型重卡左踏步框的振动问题，首先对现有结构的模态及频响进行了计算，发现踏步框结构存在29.1 Hz的频率，表现为左踏步框沿整车纵向的振动，这与实车出现的踏步框怠速抖动情况相吻合；然后提出了3种优化方案，通过有限元方法对3种方案的模态及频响进行了分析，通过结果对比并结合整车实际布置方案，认为第3种方案是最佳的；最后对第3种方案进行实车验证，左踏步框振动改善效果明显。
关键词 :踏步框，怠速振动，有限元，实车测试
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随着驾驶员对重型卡车驾驶舒适性要求的提高，他们对车辆本身存在的振动问题愈发的关注，比如方向盘的怠速振动 [
将有限元分析与试验测试相结合解决商用车怠速振动问题在整车振动改善方面得到广泛的应用。何水龙等通过有限元方法对不同的保险杠优化方案进行模态分析，找出频率改善最明显的方案，并将方案结合实车进行验证，从而解决了某型商用车保险杠怠速抖动的问题 [
通过与市场上其他车型踏步框结构进行对比以及实车在使用过程中客户反馈信息的汇总，发现某型商用车的左侧踏步框结构存在严重的刚度问题，在踩踏时出现明显的沉降问题，同时在怠速状态下踏步框也存在严重的振动问题。若踏步框怠速出现剧烈的振动问题，则用户长久站立时会出现腿部发麻现象，不利于提高用户的驾乘感受。
为了解决某型商用车左踏步框怠速(采用潍柴6缸发动机，怠速600转，怠速频率30 Hz)振动问题，根据先前解决整车怠速振动问题的方法，拟将模态分析与频响分析两种方法结合起来解决左踏步框振动的问题。首先对搭建的原状态的有限元模型，完成了原结构模态与频响的计算，完成模型与试验测试的对标；然后借助有限元对提出的不同改进方案完成模态与频响的分析，对计算结果进行综合对比；最后结合实车对效果较好的整改方案进行验证。
踏步框振动测试通过在车架、踏步框等位置安装加速度传感器，通过道32路通道LMS振动噪声测试分析系统采集数据，测试设备详情见表1，连接示意图见图1。
为了解决踏步框怠速振动问题，随机选取两台样车，完成相关的测试，传感器安装位置如图2所示。由于踏步框在车架上安装属于悬臂梁结构，在振动时重点关注距踏步框与车架安装点较远的位置，因此V1、V2、V4传感器只测试垂向的振动加速度，V3测试三向的振动加速度。表2为振动测试结果，可以看出两台样车V3传感器位置X向的振动均大于其他方向的振动，说明踏步框怠速振动主要表现为沿整车纵向的振动。
| 序号 | 名称 | 型号 | 数量 | 生产厂家 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 信号分析仪 | SCADAS SCR205 | 1台 | 比利时LMS公司 |
| 2 | 测试分析软件 | LMS Test.Lab 13A | 1款 | 比利时LMS公司 |
| 3 | 笔记本电脑 | LENOVO | 1台 | 戴尔公司 |
| 4 | 三向加速度计 | PCB 356A16 | 4个 | PCB公司 |
表1. 模态测试设备
图1. 振动噪声测试系统连接示意图
图2. 踏步框振动测试加速度传感器安装位置
| 测试车辆 | 传感器 | X向 | Y向 | Z向 |
|---|---|---|---|---|
| 样车1 | V1 | - | - | 0.12 |
| V2 | - | - | 0.12 | |
| V3 | 1.55 | 0.57 | 0.36 | |
| V4 | - | - | 0.06 | |
| 样车2 | V1 | - | - | 0.15 |
| V2 | - | - | 0.08 | |
| V3 | 1.48 | 0.51 | 0.62 | |
| V4 | - | - | 0.08 |
表2. 整车测试结果(单位：g)
为了对踏步框的模态进行分析，建立踏步框、局部车架以及防撞梁相连接的三维模型，导入HyperMesh中进行网格划分，整车模型主要以二维四边形quad4类型单元为主，少数单元为三角形单元(tria3)，单元尺寸4 mm，单元数量449,558，所有部位之间按整车装配情况进行连接，在螺栓连接的位置用rigid单元模拟连接，同时根据实际情况在发动机悬置安装的位置施加约束，具体模型如图3所示。
图3. 踏步框模态分析有限元模型
频响分析是计算在稳态振动激励作用下结构动力响应的1种方法，通常被用来理解1个承受受迫振动激励系统的动态响应。在频响分析中，激励在频域中被明确定义。频响分析的两种方法分别为：直接法和模态法。直接法是在物理空间中直接进行积分得到频响函数；模态法是在模态空间中，通过将模态进行线性叠加得到频响函数 [
为了更好的解决左踏步振动的问题，在有限元计算中拟采用模态计算与频响计算相结合的方法，将两种方法结合起来可以有效的分析不同结构对改善振动的贡献，尤其是在模态频率改善不明显的情况下能够更好的分析结构对振动改善的贡献。
为了完成踏步框结构的频响分析，在发动机悬置约束位置沿着X、Y、Z三个方向的分别施加1 g的激励(g为重力加速度)，采用模态法完成10~60 Hz的频响计算。图4给出了踏步框的第三阶(29.1 Hz)，第四阶(30.8 Hz)模态振型结果，第三阶模态表现为左侧踏步框振动沿整车纵向的剧烈摆动，与怠速振动情况相吻合，第四阶模态表现为右侧踏步框振动较为剧烈。图5为踏步框在三种激励作用下，在30 Hz时的综合位移响应结果，图6为某一节点三个方向随频率变化的位移响应曲线，在30 Hz时主要表现为X向的响应较大，表3为图5中某一节点在30 Hz时沿不同方向的位移结果，可以看出左踏步框沿X向的响应位移是Y向和Z向的数倍。通过对计算结果的分析可知，左侧踏步框缺少沿纵向的约束导致其振动较大。
图4. 踏步框模态分析有限元模型
图5. 踏步框在30 Hz时的位移响应结果
图6. 某一节点随频率变化的位移响应曲线
| X向位移 | Y向位移 | Z向位移 |
|---|---|---|
| 1.01e−3 | 1.64e−4 | 1.6e−4 |
表3. 左踏步框在30 Hz下不同方向的位移响应结果(单位：mm)
通过对量产车踏步框模态及频响的计算，左踏步框主要表现为沿纵向的振动，为了解决此问题，设计了以下三种方案对踏步框的模态及频响进行研究，从而找到合适的方案并将该方案在实车上进行验证：
1) 增加踏步框与防撞梁的连接(用rigid单元模拟)，验证上述对振动的原因分析，记为方案a；
2) 在方案a基础上，更改防撞梁的结构及踏步框与防撞梁连接方式，记为方案b；
3) 在方案b的基础上，将原车架的弯管梁的外径由79 mm加强为89 mm (厚度保持不变)，同时增大了弯管梁与车架连接座的尺寸，记为方案c。
为了验证不同的方案对踏步框模态振型的影响，对原有的有限元模型进行了局部的调整，并完成了相应的计算。图7为三种方案在30 Hz左右的模态计算结果，相对原有状态，在30 Hz左右均表现为左侧踏步框的振动相对较大，同时对应的频率也有一定的提高。表4为模态计算的数据统计，虽然模态计算的云图值不能够反映结构振动的真实位移，但作为相对位移值仍然具备一定的参考价值，相对位移的变小，表明改进方案对抑制踏步框的振动是有利的。在三种方案中，c方案中不仅频率提高了4.8 Hz，而且其相对位移值也下降了4.35 mm。
图7. 三种方案在30 Hz左右时的模态分析结果
| 方案 | 原状态 | 方案a | 方案b | 方案c |
|---|---|---|---|---|
| 频率 | 29.1 | 30.2 | 31.6 | 33.9 |
| 相对位移mm | 13.6 | 13.8 | 9.0 | 9.25 |
表4. 模态计算数据统计
图8给出了三种方案的频响计算位移响应云图，表5为左侧踏步框频响计算某一节点在30 Hz下的综合位移响应结果(X、Y、Z三个方向的综合位移)，方案c的振动改善效果最为明显。图9为方案c某一节点沿X、Y、Z三个方向的综合位移，与图5相比在30 Hz下的响应峰值几乎消失，表明通过增强车架弯管梁及增加踏步框与防撞梁的连接，可以消除踏步框在怠速状态下的响应。
图8. 三种方案在30 Hz时的位移响应结果
| 方案 | 原状态 | 方案a | 方案b | 方案c |
|---|---|---|---|---|
| 频响最大值(e−4) mm | 7.832 | 3.4 | 1.73 | 1.38 |
| 变化率 | - | 56% | 77.9% | 82% |
表5. 左侧踏步框频响计算结果统计(30 Hz)
图9. 方案c某一节点随频率变化的位移响应曲线
通过对上面不同的方案进行模态及频响分析可知，方案b和方案c均能够有效的改善左踏步框的振动，结合整车布置，方案c采用加强的弯管梁结构能够增强车架前端的刚度，决定采用方案c。
根据方案c对整车进行整改，按照图2的传感器布置方案，完成整车的测试。测试结果如表6所示，与表2未整改前相比，左踏步框振动改善明显，试验测试结果与仿真计算结果一致。
| X向 | Y向 | Z向 | |
|---|---|---|---|
| 方案c | 0.37 | 0.33 | 0.38 |
表6. 左踏步框振动测试结果(单位：g)
注：结果为V3点的测试结果。
针对某重型卡车左踏步框振动问题，本文结合有限元分析及实车测试的方法进行了验证。由于踏步框在发动机怠速(发动机怠速600，频率30 Hz)的状态下振动较为剧烈，设计了不同的改进方案。通过有限元方法分析了原方案及改进方案的模态及频响，改进方案虽然对踏步框结构模态频率的提高影响不大，但是通过频率响应分析可以看出三种方案都能降低左踏步框的响应，结合整车布置及提高车架前端局部刚度的思路，最终确定采用第三种方案在实车上进行验证。实车测试结果表明第三种方案可以有效降低踏步框的振动问题。
王 毅,谷永强,张 阳. 某重型牵引车踏步框怠速振动控制与研究 Research on Idle Vibration Control of Heavy Duty Truck Step Frame[J]. 声学与振动, 2019, 07(04): 161-168. https://doi.org/10.12677/OJAV.2019.74018