基于偏相干分析的大型客車振動源識別試驗研究＊

王建鋒張維峰李平

（長安大學(xué)）

基于偏相干分析的大型客車振動源識別試驗研究＊

王建鋒張維峰李平

（長安大學(xué)）

針對某客車在實際運行和怠速工況下振動較大的問題，采用偏相干分析方法進行了理論分析和試驗研究。介紹了偏相干分析的基本原理和計算方法，編制了計算程序。在該車輛的發(fā)動機前懸置上下側(cè)、發(fā)動機后懸置上下側(cè)、變速器懸置左右側(cè)和最后排座椅地板等處設(shè)置了6個測點，通過對6個測點數(shù)據(jù)的偏相干分析，找出了發(fā)動機前懸置振動是該客車在怠速工況下地板振動較大的主要振源，為實際降振提供了理論依據(jù)。

1 前言

降低車輛振動和噪聲是近幾年車輛領(lǐng)域研究的熱點，車輛減振通常從降低振源振動、衰減振動傳遞兩方面來實現(xiàn)，而找出振源是實現(xiàn)減振的關(guān)鍵。

大型客車運轉(zhuǎn)部件較多，相應(yīng)的噪聲源也較多，而且各主要噪聲源之間具有相關(guān)性。對于耦合的多振源系統(tǒng)，偏相干技術(shù)可以排除振源之間的相互影響，并判定響應(yīng)點振動與各獨立振源之間的相關(guān)程度，所以偏相干分析更適合用于大型客車的振動源識別。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，偏相干分析和應(yīng)用主要以識別聲源為主，而對振動源識別的研究和應(yīng)用較少[1，2]。為此，以某大型客車為例，應(yīng)用偏相干技術(shù)進行整車振動源識別的試驗研究。

2 偏相干分析

2.1 偏相干分析模型

偏相干分析方法是建立在常相干分析理論基礎(chǔ)之上的，常相干分析只適用于單輸入/單輸出系統(tǒng)或是彼此之間不相關(guān)的多輸入/單輸出系統(tǒng)，而對于彼此相關(guān)的多輸入/多輸出問題，常相干分析方法不再適用[2]。在實際的車輛振動系統(tǒng)中，振動源往往是非獨立的，具有一定的相關(guān)性，所以采用相關(guān)法進行噪聲源識別誤差非常大，甚至結(jié)果不可信[3]。偏相干分析能夠?qū)⑿盘栔信c其它信號相干的部分去掉，計算剩余信號對輸出信號產(chǎn)生的影響，因此，對于多輸入相干振動源識別問題，偏相干分析是一種有效的識別手段。

應(yīng)用偏相干分析方法識別振動源問題可以轉(zhuǎn)化為一個多輸入/單輸出系統(tǒng)的相干問題。各輸入與輸出的相干程度即相干值越大說明輸入對輸出的貢獻越大，表明該輸入是輸出的主要來源。當各輸入之間相互獨立，即沒有相干性時，其分析模型如圖1所示，圖1中，xi（t）（i=1，2，···r）為r個輸入；Hi（f）為各輸入的頻響函數(shù)；y（t）是理論預(yù)計線性輸出vi（t）與模型所有偏差n（t）的和，即系統(tǒng)的輸出。

圖1 所示模型對相干振源的識別只能進行定性研究，不能定量分析。為了對相干振源進行定量識別，對圖1所示模型進行了修改，建立了如圖2所示的相干輸入下的振源識別模型。圖2中，Xi為輸入信號xi的傅里葉變換，Y為輸出信號y（t）的傅里葉變換，Liy為頻響函數(shù)，N為外界干擾信號。Xi（i-1）！表示X1，X2，···Xi-1條件下的Xi，即從Xi中去掉與X1，X2，···Xi-1相干部分的影響。

2.2 偏相干計算流程

利用圖2所示模型，通過條件功率譜和偏相干函數(shù)進行振源識別的計算分析。為減小計算量，采用迭代方法進行偏相干函數(shù)計算。偏相干函數(shù)計算式為：

按照式（1）和式（2），通過迭代計算就可獲得多輸入系統(tǒng)中相關(guān)振源的偏相干函數(shù)[5，6]，具體計算流程如圖3所示。在獲得偏相干函數(shù)后即可由此分析主要振動源及各振源對輸出的貢獻量。

3 大型客車振動源識別試驗

3.1 試驗樣車

以某大型客車（公交車）為試驗樣車，該樣車采用柴油-電動混合動力驅(qū)動，發(fā)動機后置，車身為非承載式，懸架為空氣懸架。客車總長為11.99 m，最大質(zhì)量為18 000 kg，軸距為6 000 mm，最大功率為165 kW，最大轉(zhuǎn)矩為850 N·m。

3.2 試驗方案

由于試驗樣車在運行和怠速情況下整車振動尤其是地板振動較大，所以初步判斷其振動是由動力系統(tǒng)產(chǎn)生，需要研究各主要動力總成與地板之間的振動傳遞關(guān)系。因此，試驗主要測試發(fā)動機懸置、變速器支撐等主要動力系統(tǒng)與地板振動之間的定量關(guān)系。

試驗時，在變速器支撐點兩側(cè)、發(fā)動機前懸置兩側(cè)、發(fā)動機后懸置兩側(cè)各布置2個加速度傳感器，在最后一排座椅地板上布置1個加速度傳感器，具體布置位置（圓圈所示）如圖4所示。

在車輛怠速工況下，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速從600 r/min增加到800 r/min，每增加50 r/min進行1次測量，共測量5次。每次測試過程中，利用轉(zhuǎn)速測試儀監(jiān)測測試車輛的轉(zhuǎn)速變化，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至預(yù)定轉(zhuǎn)速時，開始記錄各測點處的振動加速度信號。

3.3 試驗分析

雖然被測試車輛的橡膠懸置是非線性系統(tǒng)，而偏相干分析只適用于線性系統(tǒng)，但車輛在穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機懸置和車輛系統(tǒng)是一個弱線性系統(tǒng)，其激勵是平穩(wěn)正態(tài)的隨機過程，根據(jù)相關(guān)理論，可以將該系統(tǒng)按線性系統(tǒng)分析[5]。

由于在怠速工況下試驗樣車的振動主要由車輛的動力總成產(chǎn)生，因此可采用最后排座椅地板處的振動代替整車的地板振動，這樣整車振動識別問題就轉(zhuǎn)化為以多種動力總成振動為輸入、地板振動為輸出的偏相干分析問題，即將車身和車架視為振動系統(tǒng)，將發(fā)動機懸置、變速器支撐點作為振動激勵點，將振動強度最大的最后排座椅地板處作為振動響應(yīng)輸出點，利用偏相干分析方法對其進行分析，以識別出主要振動源。本文只給出轉(zhuǎn)速為750 r/min時的分析結(jié)果，在該轉(zhuǎn)速下，各測點的加速度測量值如圖5～圖8所示，圖中只給出了測量時域歷程中20～24 s的數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)進行相干分析。

按照前述的偏相干分析方法和計算流程，計算獲得在750 r/min下，發(fā)動機懸置、變速器支撐點各測點與最后排座椅地板處的偏相干函數(shù)曲線，如圖9～圖11所示。

從圖9～圖11可看出，測試樣車在750 r/min怠速工況下，發(fā)動機、變速器各測點與最后排座椅地板處的偏相干系數(shù)在100 Hz以下時較大，各測點的偏相干函數(shù)曲線在37.3 Hz附近出現(xiàn)峰值，在該頻率處發(fā)動機懸置的偏相干系數(shù)最大，約為0.8，變速器支撐點的偏相干系數(shù)最小，約為0.3。

圖12為該客車在750 r/min怠速時，各測點與最后排座椅地板測點之間的最大偏相干系數(shù)的排序，偏相干系數(shù)越大說明該測點對地板振動的貢獻越大，即為最主要的振源。

由圖12可看出，發(fā)動機懸置與最后排座椅地板處的相關(guān)程度最大，可以確定車輛地板的振動主要是由發(fā)動機激勵的振動通過其懸置傳遞到后排座椅地板處而產(chǎn)生的，即發(fā)動機前懸置是地板振動的主要振動源。

其它怠速轉(zhuǎn)速下的試驗結(jié)果見表1。由表1可知，在5種怠速轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機前懸置與最后排座椅地板處的偏相干系數(shù)都較大，因此可進一步確定發(fā)動機前懸置是怠速工況下地板振動的主要振動源。

4 結(jié)束語

針對某大型客車在實際運行和怠速運行中振動較大的問題，采用偏相干分析方法進行試驗研究。建立大型客車多輸入/單輸出振動源識別模型，編制偏相干計算程序，對該車輛的6個測點與后排座椅地板之間分別進行偏相干分析，定量給出了各測點對整車振動的貢獻量，找出了該客車在怠速工況下地板振動的主要振動源，為進一步減振降噪提供了理論基礎(chǔ)。

1趙海瀾，汪鴻振.偏相干分析識別噪聲源的計算.噪聲與振動控制，2005（8）:31～33.

2萬泉，蔣偉康.用于循環(huán)平穩(wěn)信號分析的偏相干方法.機械工程學(xué)報.2005，41（7）:174～179.

3Wu Xudong，Zuo Shuguang，LeiLei.Simulation of suspensiontire system model based on rear axle of twist beam.Applied Mechanics and Materials，2010，34-35:1906-1910.

4Lee Jin-Hyeon，Yang Seung-Han.Statistical Optimization and Assessment of a Thermal Error Model for CNC Machine Tools.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2002，42（1）:147～155.

5余桐奎.基于多輸入/輸出模型的噪聲源分離：[學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

6李學(xué)軍，李萍，褚福磊.基于相關(guān)函數(shù)的多振動信號數(shù)據(jù)融合方法.振動、測試與診斷，2009，29（2）:179～183.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年9月2日。

Experimental Study on Vibration Sources Identification for Large Bus Based on Partial Coherence Analysis

Wang Jianfeng1，2，Zhang Weifeng1，Li Ping2
（Chang′an University）

To identify sources of excessive vibration of a large-sized bus in practical operation and idling conditions，theoretical analysis and experimental study are carried out with partial coherence analysis method.The fundamental principles and calculation method are introduced and calculation procedure is programmed.Six measuring points are set at both sides of engine front mounting，both sides of engine rear mounting，both sides of transmission mounting and underfloor at the rearmost row seat.Through partial coherence analysis of the data obtained at the six measuring points，we identify that vibration from engine front mounting is the main source of the excessive vibration of bus underfloor in idling conditions，this provides theoretical basis for the reduction of vehicle vibration.

Large bus,Vibration sources identification,Partial coherence analysis

客車振動源識別偏相干分析

U467.4+92

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0036-04

陜西省自然科學(xué)基金項目(2012JQ7030);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（CHD2011JC147）。