某自卸車怠速間歇振動改善研究

摘" 要：某自卸車在怠速工況下，存在間歇性振動，嚴重影響駕乘舒適性。通過怠速振動時頻域分析、針對激勵源-傳遞路徑-響應進行原因分析與方案驗證；得知怠速間隙性振動的原因為發(fā)動機曲軸1階與空壓機轉動頻率接近經(jīng)過調制而誘發(fā)間歇性振動，最后通過將空壓機由單缸更換雙缸達到避頻效果，解決了間歇性振動問題。

關鍵詞：怠速振動；空壓機；間歇性振動

中圖分類號：U467" " " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0053-06

Research on Improvement of Idle Intermittent Vibration of a Dump Truck

XIA Yu-fang ， Yang Shao-gang ， Gong Ze-yuan， LI Zhi-hao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： A dump truck has intermittent vibration under idle condition， which seriously affects the driving comfort. Aiming at this problem， based on the time domain analysis and frequency domain analysis of vehicle idle vibration， the response， transmission path and excitation source of idle vibration are investigated and verified. It is found that the intermittent vibration caused by the first order of the engine crankshaft is close to the rotation frequency of the air compressor. After replacing the double cylinder air compressor， the intermittent vibration problem of the vehicle is solved.

Key Words： Idle Vibration; Air Compressor; Intermittent Vibration

引" " 言

某自卸車配6缸發(fā)動機在怠速工況下，存在異常振動，嚴重影響駕乘舒適性。異常振動表現(xiàn)為在怠速650rpm時，駕駛室內的座椅、腳地板和方向盤處明顯感受到忽強忽弱周期性振動，間隔時間約1秒，且方向盤存在明顯目視可見的抖動，主觀評價結論為完全不可接受。隨著怠速轉速從650rpm提高到1100rpm，駕駛室間歇振感越大且間歇振動頻率加快，隨著怠速轉速升到1150rpm以上，間歇振感消失。本文針對整車怠速工況出現(xiàn)的異常抖動問題，基于整車怠速振動時域分析、頻域分析，通過對怠速振動的響應、傳遞路徑和激勵源進行排查和方案驗證，研究怠速異常抖動的源頭，再結合動力總成臺架試驗，提出臺架振動控制方法，為后續(xù)整車間歇性振動提供改善方向。

1" " 怠速間歇振動機理

怠速間歇性振動產生原因：（1）由于發(fā)動機激勵的波動變化，出現(xiàn)轉速波動，引起車內的間歇性振動。（2）動力總成系統(tǒng)模態(tài)與激勵頻率耦合，隔振性能差。（3）發(fā)動機激勵頻率與其負載系統(tǒng)頻率接近，出現(xiàn)時強時弱的“拍振”現(xiàn)象。

拍振現(xiàn)象是指，當兩個幅值和頻率接近的振動信號疊加時，會合成新的頻率和幅值的振動信號，也稱為調制信號，如下圖1所示。利用希爾伯特變換求解出調制信號的包絡曲線，再對曲線進行頻譜分析，解析出調制頻率即拍振頻率。拍振頻率為兩個振動信號頻率之差。

2" " 問題分析

針對自卸車怠速間歇性振動問題，通過試驗對怠速間歇性振動產生的原因進行深入分析。

2.1" "發(fā)動機轉速波動分析

在飛輪處安裝霍爾傳感器，測得在怠速工況下的時域轉速脈沖電信號，將電脈沖信號轉換為轉速信號后再進行轉速波動分析，分析怠速發(fā)動機的激勵力是否穩(wěn)定，如下圖2。測試轉速從650rpm到900rpm，間隔50rpm。

從瞬時怠速轉速測試結果可以看出，轉速在時域內呈現(xiàn)周期性變化波形圖，如圖3所示。怠速700rpm 瞬時轉速波形周期約為0.9s，怠速850rpm 瞬時轉速波形周期約為0.7s，與間歇振動間隔時間基本一致。

在冷機/熱機狀態(tài)下，進行開啟或關閉空調的怠速振動主客觀試驗，怠速振動客觀測試分別在發(fā)動機懸置的左前、右前、左后和右后的主被動端YZ向；駕駛室懸置的左前和右前的主被動端YZ向；方向盤3點徑向、切向、法向；座椅導軌XYZ向，駕駛員地板XYZ向，布置了15個振動加速度傳感器。從測試的發(fā)動機端、地板和方向盤加速度時域曲線可以看出，存在與發(fā)動機轉速類似的振動波形圖，有明顯拍振現(xiàn)象，如下圖4所示：

此自卸車配直列六缸發(fā)動機，主要激勵來自于發(fā)動機三階點火激勵，下圖5為怠速700rpm時，發(fā)動機端、地板和方向盤振動加速度頻譜。除3階點火頻率35Hz外，存在明顯與發(fā)動機曲軸1階11.7Hz相關的頻率振動，且方向盤處的振動比地板和發(fā)動懸置大10倍以上，說明方向盤結構與發(fā)動機曲軸1階可能存在共振問題。

其它怠速轉速下，測點振動頻譜均存在與發(fā)動機1階相關激勵頻率，包括發(fā)動機曲軸1階、發(fā)動機風扇和空壓機，如下圖6和圖7所示：

通過對瞬時轉速、發(fā)動機端和方向盤加速度進行希爾伯特包絡線頻譜分析，怠速700rpm實測振動拍頻為1.2Hz～1.3Hz。f空- f1= 12.84Hz-11.67Hz = 1.17 Hz。

怠速700rpm實測振動與空壓機和曲軸1階振動產生的拍頻接近，拍頻周期=1/f拍頻=1/1.17= 0.85s。怠速700rpm瞬時轉速波形周期（圖3所示）和間歇振動間隔時間基本一致，初步判定結論為空壓機和曲軸1階振動頻率接近，通過調制而產生拍振。

3" " 整車間歇性振動原因排查

為了進一步確定拍振的原因是否為空壓機和曲軸1階振動頻率相近發(fā)生調制現(xiàn)象，根據(jù)怠速振動的發(fā)生原理，來進行逐項分析與排查。

通過測試發(fā)現(xiàn)，該車的怠速間歇性振動的從振源發(fā)動機的激勵存在周期波動，動力總成懸置和駕駛室內響應點均存在拍振信號，方向盤存在共振問題。針對這些問題按怠速振動研究技術路線進行逐一排查，如下圖9：

3.1" "響應端-方向盤振動

響應系，主要是分析方向盤模態(tài)是否與發(fā)動機1階激勵是否存在模態(tài)耦合。

通過有限元方法來進行TB車身下的方向盤模態(tài)分析，原鋼制方向盤橫擺模態(tài)為14.7Hz，與發(fā)動機1階激勵發(fā)生耦合，如下圖10所示：

為解決模態(tài)耦合問題，將原鋼制方向盤更換為鎂鋁合金方向盤，且方向盤模態(tài)頻率由原來14.7Hz提升至19.5Hz，從而達到避頻設計要求。

針對鎂鋁合金方向盤進行怠速650rpm～900rpm主客觀試驗分析。主觀評價結果為，各怠速轉速下的方向盤目視抖動問題明顯改善，振感比原車輕，但仍能感受到忽強忽弱規(guī)律性振動；客觀測試結果為下圖11為怠速700rpm方向盤振動頻譜圖，可知鎂合金方向盤振動明顯低于鋼制方向盤，約為1.47m/s2，仍不滿足小于1m/s2目標要求。證明在傳遞路徑仍存在耦合共振或隔振率問題、在激勵源上仍存在激勵問題。

3.2" "傳遞路徑——動力總成懸置

怠速650rpm和700rpm動力總成懸置被動端振動加速度均在0.35m/s2以下，且懸置傳遞率基都控制在30%以內，滿足傳遞率小于35%設計要求，懸置隔振良好，如下圖12所示：

3.3" "激勵源分析

研究怠速旋轉系統(tǒng)對間歇振動的影響，排查激勵源主要包括發(fā)動機風扇、空壓機、空調壓縮機和水泵，速比如下表1：

拆除發(fā)動機風扇，客觀測試結果可以看出駕駛室內的響應點振動頻譜圖中關于發(fā)動機風扇激勵頻率消除，如下圖14，但主觀評價與原車相當，仍存在間歇性振動，說明發(fā)動機風扇對該車怠速間歇性振動無關。

通過對安裝在發(fā)動機本體上的空壓機、空調壓縮機和水泵進行振動測試，空壓機振動加速度明顯大于空調壓縮機和水泵，確定首先排查空壓機對間歇振動影響，如下圖15所示：

拆除空壓機后，整車怠速間歇性振動消除，說明空壓機對怠速間歇性振動有明顯影響。原車為單缸空壓機，更換為雙缸空壓機后間歇振動消除。通過對單缸和雙缸空壓機激勵頻率對比，各轉速下雙缸空壓機振動明顯小于單缸空壓機，如下圖16所示：

更換雙缸空壓機后，駕駛室內響應點關于曲軸1階的空壓機激勵振動基本消除，如圖17所示。

通過從怠速振動的響應、傳遞路徑和激勵源進行測試和方案排查，確定該車的怠速間歇性振動主要是發(fā)動機曲軸1階與空壓機轉動頻率引起的，主觀評價結果如下圖18。

4" " 發(fā)動機臺架振動控制

通過發(fā)動機臺架振動試驗分析單缸和雙缸空壓機對發(fā)動機激勵的影響。

分別在單缸空壓機、雙缸空壓機及無空壓機狀態(tài)下進行振動測試，測點布置在空壓機、發(fā)動機懸置和發(fā)動機缸體上，如上圖19所示。 分析帶寬200Hz，采樣頻率10240Hz，頻率分辨率1Hz。

對懸置z向振動信號進行包絡解調，對解調后的信號進行FFT，結果如上圖20所示。曲軸轉頻及點火頻率附近的頻率分布如圖21、圖22所示。

在曲軸轉頻處，兩邊出現(xiàn)一對邊頻，頻率為9.73Hz及11.93Hz，其中11.93Hz為空壓機轉頻，9.73Hz為曲軸轉頻，這里說明曲軸轉頻與空壓機轉頻存在調制現(xiàn)象。在發(fā)動機點火頻率處，也存在一定的調制現(xiàn)象。

對雙缸空壓機及無空壓機狀態(tài)時懸置的z向振動進行包絡解調后結果如圖23和圖24所示。

從圖中可知，這兩種狀態(tài)下載曲軸轉頻處沒有前文所述調制現(xiàn)象。

單缸和雙缸臺架振動測試結果如表2所示，在各怠速轉速下，雙缸在1階曲軸附近轉頻（8～20hz）明顯小于單缸，發(fā)動機缸體和懸置振動加速度RSS值小于0.1m/s2，主觀評價的間歇性振動不容易被感知的。由此可通過控制發(fā)動機臺架振動從而改善整車間歇性振動問題。

5" " 結論

通過問題診斷和排查，確定該車的怠速間歇性振動的主要原因是發(fā)動機曲軸1階與空壓機轉動頻率接近引起的間歇性振動。拆除空壓機和更換雙缸空壓機，間歇性抖動消除。

通過控制發(fā)動機臺架1階曲軸附近轉頻振動，發(fā)動機缸體和懸置振動加速度RSS值小于0.1m/s2，主觀評價的間歇性振動不容易被感知的。

參考文獻：

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[2]相龍洋，顧彥，黃亞.汽車怠速間歇性異常抖動研究[J].汽車實用技術，2019（8）：136-138.

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[4]陳俊杰，李松林，張發(fā)雄，等. 基于階次分析方法解決柴油機拍振問題[J]. 噪聲與振動控制，2016，36（5）：4.

專家推薦語

康潤程

國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽）

NVH專業(yè)副總師" "研究員級高級工程師

本文針對某自卸車在怠速工況下，存在間歇性振動，嚴重影響駕乘舒適性的問題，通過怠速振動時頻域分析，按激勵源——傳遞路徑——響應進行原因理論分析，設計多種工況進行主客觀試驗驗證，得知怠速間隙性振動的原因為發(fā)動機曲軸1階與空壓機轉動頻率接近而產生調制誘發(fā)間歇性振動，后通過將空壓機由單缸更換雙缸來避頻，結果驗證有效，從而解決了間歇性振動問題。

全文結構完整，論點明確、理論正確、論據(jù)有效、邏輯性強、可讀性較強，有一定的學術水平，有很好的實際應用價值。