轎車起步顫振現象實驗測試與時頻域分析

徐平 欒文博 張逸 王從鶴 陳愛軍

摘要：汽車起步顫振是指汽車在一定的擋位、節氣門開度和道路負載下起步時，出現的傳動系劇烈的扭轉振動現象。本文考慮了擋位、節氣門開度和路面坡度等因素，選取一擋小油門起步工況進行了實車道路實驗，對測得的某位置振動加速度信號進行了時域和頻域上的分析，確定該工況下引起該轎車起步顫振現象的特征頻率。

關鍵詞：起步顫振；實驗測試；時域分析；頻域分析

中圖分類號：U463.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0049-04

Time-Domain and Frequency-Domain Analysis of Vehicle Launch Shudder Test

XU Ping1，LUAN Wen-bo2，ZHANG Yi2，WANG Cong-he1，CHEN Ai-jun1

（1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd., Shanghai 201201， China；

2. Automotive School， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract: Launch shudder is the drastic torsional vibration phenomenon of drive train under certain gear， throttle opening and road load while launching. In this paper， considered the gear， throttle opening and grade， the time-domain and frequency-domain analysis for the acceleration signal of vibration acquired by vehicle launching road test of 1st gear and small throttle opening are carried out. Finally， the excitation frequency which results in the launch shudder is confirmed.

Key words: launch shudder；test；time-domain analysis；frequency-domain analysis

汽車傳動系的NVH性能對整車的舒適性、平順性至關重要。汽車傳動系是一個復雜的非線性系統，其振動形式主要表現為扭轉振動［1-3］。汽車起步顫振現象描述的是在一定的擋位、節氣門開度和道路負載下，汽車起步時出現的傳動系劇烈的扭轉振動現象［4，5］。本文即針對某轎車開展起步顫振的實驗測試與分析。

1 起步顫振現象實驗方案

考慮擋位、節氣門開度和路面坡度，進行了實車起步道路實驗。顫振實驗的車載采集設備為NI-PXI數據采集系統，包含LabVIEW SignalExpress、PXI-4496采集卡和IEPE壓電式加速度傳感器等軟、硬件采集設備。考慮到傳動系發生顫振時，整車在縱向（前進方向）的加速度波動較大，所以加速度傳感器大多布置在整車各部件的縱向位置，如圖1所示。

2 實驗數據分析

通過車載數據采集設備獲得了實車起步道路實驗各通道的振動加速度信號，采用頻譜分析、時頻分析對實驗數據進行處理與分析。時頻分析是在時間域和頻率域內聯合觀察頻率和能量隨時間變化的情況；頻譜分析用于精確把握各工況下顫振時的頻率和能量分布情況。這里選取一擋小油門起步工況為例進行分析。

2.1 振動信號的時域分析

車載數據采集系統記錄了一擋小油門起步工況各通道的振動加速度信號，下面是平路起步和坡道起步工況下的前懸副車架縱向位置傳感器記錄的時域信號，如圖2所示。

從信號的時域圖中，0～6 s信號幅值較小且波動范圍較穩定，此時處于發動機怠速段；10～25 s信號的振動加速度幅值明顯增大，認為傳感器捕捉到了顫振現象。對比該工況下的平路起步和坡道起步，發現坡道起步顫振段的振動加速度的幅值幾乎為平路起步的2倍。

2.2 振動信號的頻域分析

將時域分析中前懸副車架縱向位置的傳感器信號在頻域上進行處理，首先采用時頻分析，在時間域和頻率域內聯合觀察振動能量的變化，如圖3所示。

從時頻分析圖中可以看出，紅色集中的區域為振動能量的集中區域，圖中0～8 s左右，頻率維持在發動機怠速頻率；10 s以后隨著發動機轉速的升高和波動，能量集中的頻率發生改變，由此可以觀察出顫振段的頻率和能量分布。結合實驗時的主觀感覺對圖中紅色較集中區域進行分析，認為顫振區發生在15～21 s左右。

由于是起步工況，將0～6 s左右的發動機怠速時間段認為是未發生顫振段，將15～21 s左右的時間段認為是發生顫振段，分別對這兩個時間段進行頻譜分析，如圖4和圖5所示。圖中依次包含了時域圖、幅值譜和自功率譜密度。

從平路起步和坡道起步下的頻譜分析，當發生顫振時，坡道起步幾個峰值頻率處的自功率譜密度幅值大于平路起步自功率譜密度幅值數倍，即坡道起步顫振的現象更為明顯，這與主觀感受相一致。

平路起步工況下，將未發生顫振段與顫振段的自功率譜的幅值結果進行比較，可以看出幅值上顫振段明顯大于未發生顫振段（發動機怠速），振動能量較大，從幅值譜圖的幅值上也能得到同樣的結論；未發生顫振段的振動加速度信號頻率集中于12.45 Hz、24.9 Hz、50.17Hz；顫振段的振動加速度信號頻率集中于12.45 Hz、21.61 Hz、43.95Hz。

坡道起步工況下，同樣將未發生顫振段與顫振段的自功率譜、幅值譜結果的幅值進行比較，可以看出顫振時振動能量較大；未發生顫振段的振動加速度信號頻率集中于12.45 Hz、24.9 Hz、50.17 Hz；顫振段的振動加速度信號頻率集中于13.55 Hz、15.75 Hz、23.44 Hz、46.51 Hz和93.02 Hz。

3 結論

通過實車道路實驗的手段，考慮了擋位、節氣門開度和路面坡度等因素，對汽車的起步顫振現象開展了實驗測試。文中選取了一擋小油門工況進行了起步道路實驗，將測得的各通道振動加速度信號進行了時域和頻域上的分析，并將平路起步和坡道起步進行了對比分析，認為坡道起步的顫振感大于平路起步，找出了對應工況下引起汽車起步顫振現象的特征頻率，為汽車起步顫振現象機理分析研究奠定了基礎。

參考文獻：

［1］ 仁少云，孫承順，張建武. 某牽引車傳動系起步扭轉振動動態響應分析［J］.上海交通大學學報，2003，37（11）:1780-1783.

［2］ 蔣國平，王國平，陳步達，等. 車輛動力傳動系振動研究評述［J］. 江蘇理工大學學報（自然科學版），2000，21（3）:22-25.

［3］ Thomas Wellmann and Kiran Govindswamy. Development of a Multi-Body Systems Approach for Analysis of Launch Shudder in Rear Wheel Driven Vehicles ［J］. SAE Paper， 2009-01-2073.

［4］ 袁晨恒，姚兆祥，姜艷軍，等. 轎車傳動系扭轉振動模型分析與計算［J］.重慶理工大學學報（自然科學版），2010，24（7）:18-22.

［5］ 顧福勇，張代勝，席彥擘. 離合器接合過程中的汽車傳動系扭轉振動分析［J］. 合肥工業大學學報（自然科學版），2006, 27（9）: 809-813.