基于LMS頻譜分析方法研究整車怠速抖動問題

韋慧紅，韋流權，何有增，肖國鈺

（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問題

韋慧紅，韋流權，何有增，肖國鈺

（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問題，本文通過頻譜分析方法依次尋找影響怠速抖動的因素，并分析這些因素的影響機理。在怠速開空調的工況下，分析了沖擊現象產生的原因，通過控制冷卻風扇的動不平衡量，來解決怠速振動和沖擊的問題。

怠速抖動；頻譜分析；沖擊；動不平衡量

引言

隨著顧客對汽車產品的性能要求日益提高，汽車生產企業不斷研發新技術，積極實施技術改造項目，使汽車整體性能不斷提高。

在整車性能指標中，NVH（振動噪聲）性能已經成為用戶敏感度最高的指標之一［1，2］。整車NVH性能的評價工況有很多種，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整車NVH性能的評價。在怠速工況下，整車的主要振動源是發動機本體，本文主要針對怠速工況下駕駛室振動過大而且伴隨著嚴重沖擊的現象，對怠速振動進行頻譜分析，確定引起問題的主要因素。通過驗證來改進和消除怠速工況下的振動過大和沖擊現象。

1 問題描述和評估

在某車型的開發過程中，工程人員在對該車型的樣車進行怠速振動評估時發現：該樣車在怠速工況下，座椅導軌和方向盤的振動比較大，尤其在開空調的工況下，該問題更為嚴重，而且伴隨著一陣一陣的嚴重沖擊。

針對上述情況，工程人員組織了動態感知主觀評價活動。評估人員普遍認為：怠速振動嚴重，沖擊現象明顯，不可以接受。

為了獲取怠速振動的初步信息，NVH工程師按照怠速振動測試標準對樣車進行測試，主要包括怠速關空調和怠速開空調兩種工況，評估的主要關注點是座椅導軌和方向盤的振動。整個測試過程使用的工具是LMS公司的Test Lab噪聲信號分析軟件、朗德公司的Artemis分析軟件，以及相關的數據采集系統。

在怠速關空調工況下，確認壓縮機、冷卻風扇、助力轉向泵等發動機相關附件均處于不工作狀態，發動機的怠速轉速維持在一個相對平穩的轉速范圍內（轉速變化小于50 rpm）。關注的位置主要是座椅導軌的Z向振動和方向盤的X、Y、Z三個方向的振動［3］。

從圖1中可以看出，怠速工況下的振動主要是由25.6 Hz左右的激振源引起的。發動機的怠速轉速是（775±50）rpm，其二階激勵是（（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過大是由發動機振動引起的［4，5］。

圖1　怠速關空調工況下的座椅導軌振動

在怠速開空調工況下，確認壓縮機、冷卻風扇等發動機相關附件的工作狀態，助力轉向泵的非工作狀態，發動機的怠速轉速維持在一個相對平穩的轉速范圍內（轉速變化小于50 rpm）。關注的位置主要是座椅導軌的Z向振動和方向盤的X、Y、Z三個方向的振動。開空調工況下，發動機的怠速轉速是（825±50）rpm，其二階激勵是（（825±50）/60）×2=（27.5±1.7）Hz，從圖2的頻譜來看，可能的原因是發動機二階激勵與某激勵源發生共振，導致怠速抖動過大。

圖2　怠速開空調工況下方向盤的振動

從開空調工況下的時域分析來看，怠速時存在很明顯的周期性沖擊，這種現象的存在會使駕駛員感到十分不適，如圖3所示的時域數據。

圖3　怠速開空調工況下的時域數據

2 問題分析與解決辦法

針對怠速工況下的振動過大情況，初步判定原因是發動機振動過大。該發動機在其他樣車上并沒有出現類似的問題，推測是發動機的懸置系統隔振不好所導致的問題。通過懸置零件系統分析，發現懸置零件完全滿足設計要求，最后通過調整懸置的裝配工藝來解決怠速振動的問題。

通過對現有裝配工藝分析發現，懸置安裝打緊的順序不合理，懸置系統裝配完成以后存在著應力得不到釋放的問題。調整懸置的裝配工藝，釋放裝配過程中產生的應力，測試發現調整裝配工藝可以有效解決怠速振動的問題。

圖4　調整懸置前后的怠速振動情況

通過分析圖4可發現，調整懸置釋放應力的方法可以有效解決怠速振動的問題，方向盤和座椅導軌的振動都有所改善。

怠速開空調的工況下的振動比不開空調的情況嚴重的多（如圖5所示）。同時開空調的工況下存在著嚴重的沖擊現象。此時壓縮機和冷卻風扇是工作的，相應的發動機怠速轉速也提高到（825±50）rpm，壓縮機的頻率是14～20 Hz，冷卻風扇的頻率是（1850±100）/60=（30.8±1.7）Hz。

圖5　怠速振動情況對比

詳細分析怠速開空調工況下的振動，如圖6所示，在26～32 Hz區間存在著一個共振區域，當冷卻風扇開啟時，發動機怠速頻率與冷卻風扇頻率之間發生共振，而后該振動傳遞到駕駛艙內。當冷卻風扇本身的振動比較大時，通過與發動機怠速頻率的共振，該振動會被放大，從而使怠速振動變得不可接受。當冷卻風扇本身存在著周期性振動時，這種沖擊也會通過與發動機共振放大后傳到駕駛艙內，主觀感受表現為受到沖擊。

圖6　怠速振動頻譜分析

對冷卻風扇的零件進行分析，發現冷卻風扇的動不平衡量并不滿足零件設計要求，工程師從零件中選取了符合設計要求的五個零件，并且測試了故障風扇的不平衡量，編成一組樣件，進行通過主觀評估和客觀測試來驗證頻譜分析的結論，如表1所示。

表1　風扇樣件評估

通過評估發現，如果風扇的動不平衡量能夠滿足設計要求，就不會產生怠速振動和沖擊現象。從圖7所示的時域圖中可以看出，平衡風扇以后的沖擊現象得到明顯改善。

圖7　冷卻風扇平衡后沖擊現象的改善

此外，發動機怠速頻率與冷卻風扇頻率相近，導致風扇的振動被放大，也是產生怠速振動和沖擊的重要原因，將平衡量不好的風扇裝在樣車上，通過改變冷卻風扇的驅動電壓來改變冷卻風扇的頻率，當冷卻風扇的轉速達到1950 rpm時，冷卻風扇頻率是1950/60=32.5 Hz。這時即使冷卻風扇的平衡量不好，冷卻風扇的振動也傳遞不到車內。從圖8測試頻譜可以看出：冷卻風扇的頻率和發動機的怠速頻率沒有發生共振，主觀評估也沒有明顯的沖擊。

排氣系統的振動與怠速振動也有很大的關系，當排氣系統的隔振不好時，排氣系統的振動也會傳遞到車身內部。檢查排氣系統與車身連接處的吊耳動剛度，發現吊耳動剛度并不完全滿足要求，如圖9所示。

圖8　改變冷卻風扇轉速時的怠速振動

圖9　動剛度測試曲線

將排氣系統的吊耳脫離開，重新測試怠速的振動情況，發現怠速振動的情況只有輕微的改善，可以認為排氣系統的振動對怠速振動的影響比較小。

3 結束語

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的主要因素，尤其是重點分析了冷卻風扇的振動和怠速振動之間的關系，找到了引起怠速振動和沖擊現象的主要原因是冷卻風扇的不平衡量，通過控制冷卻風扇的零件質量來控制整車的怠速振動，對解決類似的怠速振動問題具有重要指導意義。

［1］丁渭平. 車內低頻噪聲與懸架特性參數的定量關系［J］. 噪聲與振動控制， 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態子結構修改方法［J］. 噪聲與振動控制， 2002， 22（2）: 17-19.

［4］龐劍， 諶剛， 何華. 汽車噪聲與振動: 理論與應用［M］. 北京: 北京理工大學出版社， 2008.

［5］楊明亮. 汽車動力總成懸置系統NVH性能分析及改進設計［D］. 四川: 西南交通大學， 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

工業技術創新 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