基于工況傳遞路徑的方向盤振動(dòng)貢獻(xiàn)量研究

倪晉挺

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

在汽車的前期開發(fā)過(guò)程中,車內(nèi)噪聲和振動(dòng)是評(píng)價(jià)車輛舒適性的重要指標(biāo)之一。通常來(lái)說(shuō)，動(dòng)總激勵(lì)引起乘員艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲和振動(dòng)，其通過(guò)懸置、進(jìn)氣、排氣等傳遞路徑疊加貢獻(xiàn)而成，而動(dòng)總表面、進(jìn)氣口、排氣口等噪聲源產(chǎn)生的空氣噪聲則通過(guò)鈑金縫隙、密封堵件等路徑傳遞至車內(nèi)。因此，為了獲得較好的整車NVH性能，需要研究各個(gè)路徑的激勵(lì)大小和傳遞路徑的貢獻(xiàn)情況，并針對(duì)研究分析的結(jié)果采取有效的處理措施[1-6]。

傳遞路徑分析(TPA)方法是非常有效的方法之一。通過(guò)TPA研究，能夠找出對(duì)駕駛艙內(nèi)的振動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)比較突出的路徑。通過(guò)控制和改進(jìn)這些路徑的激勵(lì)力或傳遞特性，使車內(nèi)噪聲滿足預(yù)定的產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)。傳統(tǒng)TPA雖然精度相對(duì)較高，但需要進(jìn)行傳遞函數(shù)及識(shí)別載荷，測(cè)試工作繁瑣[7-12]。而工況傳遞路徑(Operational Transfer Path Analysis，OTPA)只需要采集運(yùn)行工況的響應(yīng)信號(hào)，具有便捷快速的優(yōu)點(diǎn)。

文中旨在利用OTPA原理，運(yùn)用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及LMS Testlab軟件測(cè)試方向盤及傳遞路徑的振動(dòng)頻域信號(hào)，采用LMS后處理模塊進(jìn)行方向盤振動(dòng)合成，對(duì)各傳遞路徑貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析，識(shí)別得到方向盤振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)路徑，并對(duì)貢獻(xiàn)較大的路徑進(jìn)行驗(yàn)證。

1 TPA方法的基本原理

1.1 傳統(tǒng)TPA方法

傳統(tǒng)TPA方法是假設(shè)汽車系統(tǒng)是線性不變的，即車內(nèi)關(guān)注位置的噪聲或振動(dòng)等于對(duì)應(yīng)工作工況下，各激勵(lì)源以工作載荷激勵(lì)時(shí)從不同的傳遞路徑傳播到車內(nèi)的能量的疊加[4]。傳統(tǒng)TPA的理論分析公式為

(1)

傳遞函數(shù)的測(cè)量需要把主動(dòng)部件拆除，避免與待測(cè)系統(tǒng)發(fā)生耦合。然后通過(guò)力錘或激振器對(duì)各傳遞路徑的連接點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，分別得到各個(gè)路徑激勵(lì)位置附近的局部振動(dòng)響應(yīng)及目標(biāo)位置的傳遞函數(shù)響應(yīng)。

傳遞路徑上的載荷獲取可通過(guò)直接法、懸置剛度法及逆矩陣法獲取。用直接法獲取的力最為準(zhǔn)確, 但通常由于力傳感器安裝困難, 所以應(yīng)用較少。實(shí)際工程中，經(jīng)常用的是懸置剛度法及逆矩陣法，其中，以逆矩陣法應(yīng)用最為廣泛。逆矩陣法獲取某一個(gè)傳遞路徑，工作工況下的激勵(lì)載荷是通過(guò)各傳遞路徑連接點(diǎn)的響應(yīng)ui(ω)乘以傳遞函數(shù)矩陣Hij(ω)的廣義逆矩陣,識(shí)別得到連接點(diǎn)的激勵(lì)載荷Fi(ω)，表示為

(2)

由于通常情況下并不能保證傳遞函數(shù)矩陣絕對(duì)的滿秩,所以式(2)中*表示求取矩陣的廣義逆。在獲取傳遞函數(shù)矩陣及連接點(diǎn)的工作載荷后，即可運(yùn)用式(1)，得到關(guān)注位置的傳遞路徑貢獻(xiàn)量結(jié)果[9]。

1.2 工況TPA(OTPA)方法

OTPA與傳統(tǒng)TPA重要的區(qū)別在于：OTPA不需要進(jìn)行傳遞函數(shù)的測(cè)量，也不需要進(jìn)行單獨(dú)的載荷識(shí)別，可以直接使用運(yùn)行工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，不需要進(jìn)行車輛的拆解，工作效率較高。

OTPA方法基于傳遞率計(jì)算的準(zhǔn)則，將目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)表示為不同路徑連接點(diǎn)位置的響應(yīng)組合形式[13-14]

(3)

信用部的主要職責(zé)是：確保銷售合同中的權(quán)利與義務(wù)條款符合法律規(guī)定以及公司要求，同時(shí)核對(duì)金額，查看是否有重大事項(xiàng)的遺漏；在合同執(zhí)行過(guò)程中，進(jìn)行全面跟蹤，看雙方是否按照合同要求嚴(yán)格執(zhí)行；收集客戶信息，建立并備份客戶檔案，調(diào)查客戶資信情況；根據(jù)客戶資信情況制定相對(duì)應(yīng)的信用政策；對(duì)客戶信用科學(xué)評(píng)分，根據(jù)評(píng)分對(duì)客戶信用分等級(jí)，根據(jù)不同等級(jí)制定不同的信用額度，綜合評(píng)估客戶，并進(jìn)行后續(xù)跟蹤；在需要通過(guò)法律途徑回收賬款時(shí)，提交有關(guān)合同文件配合相關(guān)工作。

傳遞率通過(guò)式(3)得到，以結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞部分為例說(shuō)明如下：

Yk={T′}·{a}?{Yk·a′}={T′}·(a·a′)?

{T′}={Yk·a′}·{a·a′}-1.

(4)

由此可見(jiàn)，傳遞率函數(shù)可求解的條件是自功率譜矩陣{a·a}-1可逆。因此，自功率譜矩陣必須是滿秩矩陣。為了避免矩陣奇異，獲得振動(dòng)響應(yīng)矩陣{a}的各行向量應(yīng)互不相關(guān)，才能完成奇異值分解，進(jìn)而得到各路徑的傳遞率是解耦的，即運(yùn)行工況的數(shù)量應(yīng)該大于等于目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)[14-15]。

OTPA分析方法相對(duì)于傳統(tǒng)TPA，由于只需要采集工作工況的數(shù)據(jù)，因此，可以大大減小測(cè)試時(shí)間。但OTPA分析方法存在以下缺陷，例如識(shí)別精度不如傳統(tǒng)TPA分析，有可能存在關(guān)鍵傳遞路徑未被識(shí)別的情況，或者不同傳遞路徑之間存在耦合，導(dǎo)致疊加合成的目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)存在差異，使分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

因此，在利用OTPA進(jìn)行運(yùn)行工況分析時(shí)，需要對(duì)運(yùn)行工況下各傳遞路徑疊加的響應(yīng)與測(cè)試目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，確保合成結(jié)果與測(cè)試結(jié)果差異在可接受范圍，進(jìn)而保證關(guān)鍵貢獻(xiàn)路徑識(shí)別的正確性。

2 OTPA方法的應(yīng)用案例

某AT車型動(dòng)力總成為4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，懸置系統(tǒng)采用三點(diǎn)懸置，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為(750±30) r·min-1。在怠速工況、空調(diào)開啟狀態(tài)下，車輛處于P檔、D檔及N檔狀態(tài)的情況下，方向盤均出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，比較惡劣，主觀評(píng)價(jià)難以接受[16]。

圖1 方向盤振動(dòng)(依次為X，Y，Z方向)

根據(jù)怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可以計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)的頻率為24～26 Hz、4階激勵(lì)頻率為48～52 Hz、6階激勵(lì)頻率為72～78 Hz，激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X向及Z向的振動(dòng)峰值頻率接近，因此，可以判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)X向及Z向的振動(dòng)峰值是由發(fā)動(dòng)機(jī)的主階次激勵(lì)導(dǎo)致的。但方向盤Y向在36 Hz的振動(dòng)峰值，遠(yuǎn)離激勵(lì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主階次激勵(lì)頻率，因此，與發(fā)動(dòng)機(jī)主階次激勵(lì)關(guān)系不大。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初步判斷方向盤Y向在36 Hz的振動(dòng)峰值很有可能與冷卻風(fēng)扇激勵(lì)有關(guān)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，上述運(yùn)行工況下，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為2 040 r·min-1，如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的工作基頻為34 Hz，考慮到冷卻風(fēng)扇工作電壓波動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)速小范圍變化，可以判斷是冷卻風(fēng)扇激勵(lì)，與方向盤Y向在36 Hz的振動(dòng)峰值相關(guān)。

圖2 冷卻風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速

以方向盤Z向振動(dòng)為例，通過(guò)OTPA方法，排查引起方向盤Z向怠速振動(dòng)偏大的關(guān)鍵路徑。根據(jù)OTPA方法的原理，將三向加速度傳感器布置在懸置、排氣管吊耳、冷卻風(fēng)扇等車身側(cè)位置，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布置描述如表1所示(由于傳感器數(shù)量限制，僅布置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)附近的排氣吊耳)。

表1 傳感器布置位置

車輛的運(yùn)行工況為怠速工況，分別測(cè)試不同的檔位狀態(tài)(P檔、D檔及R檔)，測(cè)試工況及詳細(xì)描述如表2所示。

表2 測(cè)試工況說(shuō)明

由于OTPA分析方法的缺陷性，首先需要將各傳遞路徑合成的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果與方向盤Z向的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，確保二者差異在可接受范圍。

車輛處于D檔，空調(diào)啟動(dòng)(AC ON)狀態(tài)，方向盤Z向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與通過(guò)OTPA方法合成的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，方向盤Z向測(cè)試結(jié)果與OTPA合成結(jié)果基本一致，可以對(duì)此進(jìn)行下一步貢獻(xiàn)量分析。

圖3 方向盤Z向振動(dòng)測(cè)試與OTPA合成結(jié)果對(duì)比

利用LMS Testlab軟件，對(duì)各貢獻(xiàn)路徑上的合成振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行貢獻(xiàn)量分解。由圖4可以看出，怠速工況下對(duì)方向盤Z向振動(dòng)的傳遞路徑進(jìn)行分析，貢獻(xiàn)量最大的傳遞路徑是發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，其次是排氣管吊耳。此外，冷卻風(fēng)扇及冷卻管道在車身的安裝點(diǎn)，對(duì)方向盤Z向振動(dòng)也有一定的貢獻(xiàn)。

圖4 方向盤Z向振動(dòng)貢獻(xiàn)量分析

確定貢獻(xiàn)路徑后，可以從發(fā)動(dòng)機(jī)懸置及排氣吊耳兩個(gè)貢獻(xiàn)較大的路徑入手，從懸置安裝點(diǎn)的車身結(jié)構(gòu)、排氣吊鉤的模態(tài)、懸置及排氣吊耳的隔振特性等進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，對(duì)測(cè)試車輛進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，怠速工況、空調(diào)開啟、換擋機(jī)構(gòu)處于D檔狀態(tài)、方向盤Z向振動(dòng)得到基本解決，可以滿足產(chǎn)品開發(fā)要求。

3 結(jié) 論

1)對(duì)傳統(tǒng)傳遞路徑及工況傳遞路徑分析方法的原理、方法及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹。OTPA分析方法與傳統(tǒng)的傳遞路徑分析方法相比，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單方便，大大提高了工作效率。

2)針對(duì)某車型出現(xiàn)的方向盤怠速振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行工況傳遞路徑分析，找到了怠速振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)路徑，并通過(guò)改進(jìn)措施解決了該問(wèn)題。