基于LMS頻譜分析方法研究整車怠速抖動(dòng)問題

韋慧紅，韋流權(quán)，何有增，肖國(guó)鈺

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

基于LMS頻譜分析方法研究整車怠速抖動(dòng)問題

韋慧紅，韋流權(quán)，何有增，肖國(guó)鈺

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

為解決整車怠速抖動(dòng)問題，本文通過頻譜分析方法依次尋找影響怠速抖動(dòng)的因素，并分析這些因素的影響機(jī)理。在怠速開空調(diào)的工況下，分析了沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過控制冷卻風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量，來解決怠速振動(dòng)和沖擊的問題。

怠速抖動(dòng)；頻譜分析；沖擊；動(dòng)不平衡量

引言

隨著顧客對(duì)汽車產(chǎn)品的性能要求日益提高，汽車生產(chǎn)企業(yè)不斷研發(fā)新技術(shù)，積極實(shí)施技術(shù)改造項(xiàng)目，使汽車整體性能不斷提高。

在整車性能指標(biāo)中，NVH（振動(dòng)噪聲）性能已經(jīng)成為用戶敏感度最高的指標(biāo)之一［1，2］。整車NVH性能的評(píng)價(jià)工況有很多種，其中怠速是用戶在駕駛過程中比較常用的工況。怠速的NVH水平將直接影響客戶對(duì)整車NVH性能的評(píng)價(jià)。在怠速工況下，整車的主要振動(dòng)源是發(fā)動(dòng)機(jī)本體，本文主要針對(duì)怠速工況下駕駛室振動(dòng)過大而且伴隨著嚴(yán)重沖擊的現(xiàn)象，對(duì)怠速振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，確定引起問題的主要因素。通過驗(yàn)證來改進(jìn)和消除怠速工況下的振動(dòng)過大和沖擊現(xiàn)象。

1 問題描述和評(píng)估

在某車型的開發(fā)過程中，工程人員在對(duì)該車型的樣車進(jìn)行怠速振動(dòng)評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)：該樣車在怠速工況下，座椅導(dǎo)軌和方向盤的振動(dòng)比較大，尤其在開空調(diào)的工況下，該問題更為嚴(yán)重，而且伴隨著一陣一陣的嚴(yán)重沖擊。

針對(duì)上述情況，工程人員組織了動(dòng)態(tài)感知主觀評(píng)價(jià)活動(dòng)。評(píng)估人員普遍認(rèn)為：怠速振動(dòng)嚴(yán)重，沖擊現(xiàn)象明顯，不可以接受。

為了獲取怠速振動(dòng)的初步信息，NVH工程師按照怠速振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣車進(jìn)行測(cè)試，主要包括怠速關(guān)空調(diào)和怠速開空調(diào)兩種工況，評(píng)估的主要關(guān)注點(diǎn)是座椅導(dǎo)軌和方向盤的振動(dòng)。整個(gè)測(cè)試過程使用的工具是LMS公司的Test Lab噪聲信號(hào)分析軟件、朗德公司的Artemis分析軟件，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在怠速關(guān)空調(diào)工況下，確認(rèn)壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇、助力轉(zhuǎn)向泵等發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)附件均處于不工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速維持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（轉(zhuǎn)速變化小于50 rpm）。關(guān)注的位置主要是座椅導(dǎo)軌的Z向振動(dòng)和方向盤的X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)［3］。

從圖1中可以看出，怠速工況下的振動(dòng)主要是由25.6 Hz左右的激振源引起的。發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速是（775±50）rpm，其二階激勵(lì)是（（775±50）/60）×2≈（25.8±1.7）Hz，與圖1的頻譜特征符合，可以初步判定怠速振動(dòng)過大是由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的［4，5］。

圖1　怠速關(guān)空調(diào)工況下的座椅導(dǎo)軌振動(dòng)

在怠速開空調(diào)工況下，確認(rèn)壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇等發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)附件的工作狀態(tài)，助力轉(zhuǎn)向泵的非工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速維持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（轉(zhuǎn)速變化小于50 rpm）。關(guān)注的位置主要是座椅導(dǎo)軌的Z向振動(dòng)和方向盤的X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)。開空調(diào)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速是（825±50）rpm，其二階激勵(lì)是（（825±50）/60）×2=（27.5±1.7）Hz，從圖2的頻譜來看，可能的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)與某激勵(lì)源發(fā)生共振，導(dǎo)致怠速抖動(dòng)過大。

圖2　怠速開空調(diào)工況下方向盤的振動(dòng)

從開空調(diào)工況下的時(shí)域分析來看，怠速時(shí)存在很明顯的周期性沖擊，這種現(xiàn)象的存在會(huì)使駕駛員感到十分不適，如圖3所示的時(shí)域數(shù)據(jù)。

圖3　怠速開空調(diào)工況下的時(shí)域數(shù)據(jù)

2 問題分析與解決辦法

針對(duì)怠速工況下的振動(dòng)過大情況，初步判定原因是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過大。該發(fā)動(dòng)機(jī)在其他樣車上并沒有出現(xiàn)類似的問題，推測(cè)是發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置系統(tǒng)隔振不好所導(dǎo)致的問題。通過懸置零件系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)懸置零件完全滿足設(shè)計(jì)要求，最后通過調(diào)整懸置的裝配工藝來解決怠速振動(dòng)的問題。

通過對(duì)現(xiàn)有裝配工藝分析發(fā)現(xiàn)，懸置安裝打緊的順序不合理，懸置系統(tǒng)裝配完成以后存在著應(yīng)力得不到釋放的問題。調(diào)整懸置的裝配工藝，釋放裝配過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，測(cè)試發(fā)現(xiàn)調(diào)整裝配工藝可以有效解決怠速振動(dòng)的問題。

圖4　調(diào)整懸置前后的怠速振動(dòng)情況

通過分析圖4可發(fā)現(xiàn)，調(diào)整懸置釋放應(yīng)力的方法可以有效解決怠速振動(dòng)的問題，方向盤和座椅導(dǎo)軌的振動(dòng)都有所改善。

怠速開空調(diào)的工況下的振動(dòng)比不開空調(diào)的情況嚴(yán)重的多（如圖5所示）。同時(shí)開空調(diào)的工況下存在著嚴(yán)重的沖擊現(xiàn)象。此時(shí)壓縮機(jī)和冷卻風(fēng)扇是工作的，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速也提高到（825±50）rpm，壓縮機(jī)的頻率是14～20 Hz，冷卻風(fēng)扇的頻率是（1850±100）/60=（30.8±1.7）Hz。

圖5　怠速振動(dòng)情況對(duì)比

詳細(xì)分析怠速開空調(diào)工況下的振動(dòng)，如圖6所示，在26～32 Hz區(qū)間存在著一個(gè)共振區(qū)域，當(dāng)冷卻風(fēng)扇開啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與冷卻風(fēng)扇頻率之間發(fā)生共振，而后該振動(dòng)傳遞到駕駛艙內(nèi)。當(dāng)冷卻風(fēng)扇本身的振動(dòng)比較大時(shí)，通過與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率的共振，該振動(dòng)會(huì)被放大，從而使怠速振動(dòng)變得不可接受。當(dāng)冷卻風(fēng)扇本身存在著周期性振動(dòng)時(shí)，這種沖擊也會(huì)通過與發(fā)動(dòng)機(jī)共振放大后傳到駕駛艙內(nèi)，主觀感受表現(xiàn)為受到?jīng)_擊。

圖6　怠速振動(dòng)頻譜分析

對(duì)冷卻風(fēng)扇的零件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量并不滿足零件設(shè)計(jì)要求，工程師從零件中選取了符合設(shè)計(jì)要求的五個(gè)零件，并且測(cè)試了故障風(fēng)扇的不平衡量，編成一組樣件，進(jìn)行通過主觀評(píng)估和客觀測(cè)試來驗(yàn)證頻譜分析的結(jié)論，如表1所示。

表1　風(fēng)扇樣件評(píng)估

通過評(píng)估發(fā)現(xiàn)，如果風(fēng)扇的動(dòng)不平衡量能夠滿足設(shè)計(jì)要求，就不會(huì)產(chǎn)生怠速振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象。從圖7所示的時(shí)域圖中可以看出，平衡風(fēng)扇以后的沖擊現(xiàn)象得到明顯改善。

圖7　冷卻風(fēng)扇平衡后沖擊現(xiàn)象的改善

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與冷卻風(fēng)扇頻率相近，導(dǎo)致風(fēng)扇的振動(dòng)被放大，也是產(chǎn)生怠速振動(dòng)和沖擊的重要原因，將平衡量不好的風(fēng)扇裝在樣車上，通過改變冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓來改變冷卻風(fēng)扇的頻率，當(dāng)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速達(dá)到1950 rpm時(shí)，冷卻風(fēng)扇頻率是1950/60=32.5 Hz。這時(shí)即使冷卻風(fēng)扇的平衡量不好，冷卻風(fēng)扇的振動(dòng)也傳遞不到車內(nèi)。從圖8測(cè)試頻譜可以看出：冷卻風(fēng)扇的頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率沒有發(fā)生共振，主觀評(píng)估也沒有明顯的沖擊。

排氣系統(tǒng)的振動(dòng)與怠速振動(dòng)也有很大的關(guān)系，當(dāng)排氣系統(tǒng)的隔振不好時(shí)，排氣系統(tǒng)的振動(dòng)也會(huì)傳遞到車身內(nèi)部。檢查排氣系統(tǒng)與車身連接處的吊耳動(dòng)剛度，發(fā)現(xiàn)吊耳動(dòng)剛度并不完全滿足要求，如圖9所示。

圖8　改變冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時(shí)的怠速振動(dòng)

圖9　動(dòng)剛度測(cè)試曲線

將排氣系統(tǒng)的吊耳脫離開，重新測(cè)試怠速的振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)怠速振動(dòng)的情況只有輕微的改善，可以認(rèn)為排氣系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)怠速振動(dòng)的影響比較小。

3 結(jié)束語

本文基于LMS和朗德的采集分析軟件，使用頻譜分析的方法，分析了影響怠速振動(dòng)的主要因素，尤其是重點(diǎn)分析了冷卻風(fēng)扇的振動(dòng)和怠速振動(dòng)之間的關(guān)系，找到了引起怠速振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象的主要原因是冷卻風(fēng)扇的不平衡量，通過控制冷卻風(fēng)扇的零件質(zhì)量來控制整車的怠速振動(dòng)，對(duì)解決類似的怠速振動(dòng)問題具有重要指導(dǎo)意義。

［1］丁渭平. 車內(nèi)低頻噪聲與懸架特性參數(shù)的定量關(guān)系［J］. 噪聲與振動(dòng)控制， 2006， 26（5）: 70-73.

［2］林逸， 馬天飛， 姚為民， 等. 汽車NVH特性研究綜述［J］. 汽車工程， 2002， 24（3）: 177-181.

［3］丁渭平. 車身乘坐室聲振耦合的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)修改方法［J］. 噪聲與振動(dòng)控制， 2002， 22（2）: 17-19.

［4］龐劍， 諶剛， 何華. 汽車噪聲與振動(dòng): 理論與應(yīng)用［M］. 北京: 北京理工大學(xué)出版社， 2008.

［5］楊明亮. 汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH性能分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］. 四川: 西南交通大學(xué)， 2008.

Research on Vehicle Idle Vibration Issue Based on LMS Frequency Spectrum Analysis Method

Huihong Wei， Liuquan Wei， Youzeng He， Guoyu Xiao（SAIC GM Wuling Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

In order to solve the vehicle idle vibration issue， this paper finds out the influencing factors based on frequency spectrum analysis method， and analyzes how these factors affect vehicle idle vibration. Under the idle condition with air conditioner on， the cause of fan shock is analyzed. By controlling the dynamic unbalance， the idle vibration and shock issues can be solved.

Idle Vibration； Frequency Spectrum Analysis； Shock； Dynamic Unbalance

U260.6

A

2095-8412 （2016） 04-757-03

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.047

韋慧紅（1988-），女，壯族，廣西柳州人，本科，助理工程師，任職于上汽通用五菱汽車股份有限公司。研究方向：車輛工程。

E-mail: Huihong.Wei@sgmw.com.cn