汽車怠速異常抖動分析及診斷

相龍洋，顧彥

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心整車集成部，上海 201804）

前言

汽車在市區(qū)行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)的純怠速工況時(shí)間占整個循環(huán)工況時(shí)間的30%。且隨著交通擁堵情況的加劇，汽車怠速工況所占比重進(jìn)一步增加。而汽車怠速振動特性對駕乘體驗(yàn)有非常明顯的影響。在研究汽車NVH性能時(shí)，可以通過傳遞路徑和激勵源兩個方面考慮[1]。汽車作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，受到多種振動噪聲源的激勵，每種激勵都可通過不同路徑，經(jīng)過系統(tǒng)衰減，傳遞到關(guān)注的響應(yīng)點(diǎn)。為了有效的改善響應(yīng)點(diǎn)處的振動噪聲水平，考慮到傳遞路徑的多樣性和復(fù)雜性，對激勵源進(jìn)行優(yōu)化研究是最直接和有效的辦法。如果能將激勵源大大減小，整車的NVH性能即可得到很大程度的提升。

汽車振動噪聲的主要激勵源來自于動力總成、輪胎和風(fēng)激勵。動力總成中的發(fā)動機(jī)，在為發(fā)動機(jī)提供動力的同時(shí)，也產(chǎn)生了隨工況變化的激勵力。對于最常見的四缸發(fā)動機(jī)來說，曲軸旋轉(zhuǎn)而帶來的二階激勵是最主要的激勵成分。因此，正常整車上最主要的振動應(yīng)為二階振動。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，會隨之產(chǎn)生異常的0.5階或1階振動，因?yàn)槠漕l率相對較低，人對其更加敏感，所以這會極大影響車內(nèi)乘客的駕乘體驗(yàn)。

本文針對整車怠速工況出現(xiàn)的異常抖動問題，基于時(shí)域分析、頻域分析和階次分析相結(jié)合的方法[2]-[4]，首先對整車的怠速異常抖動現(xiàn)象的激勵源進(jìn)行分析，然后通過與表現(xiàn)良好的對標(biāo)車對比，研究其發(fā)動機(jī)燃燒的穩(wěn)定性，進(jìn)而根據(jù)燃燒特性識別出怠速異常抖動的源頭，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向。

1 怠速異常抖動激勵源識別

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率計(jì)算如公式1所示[5]。

式中，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，fn為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)頻。

振動信號的階次計(jì)算如公式2所示。

式中，f為分析的振動信號頻率，Order即為其階次。

為了對怠速振動水平進(jìn)行分析，試驗(yàn)中采用振動加速度傳感器測試了座椅導(dǎo)軌處的振動和發(fā)動機(jī)缸體上的振動，如圖1所示。座椅上的振動代表車內(nèi)振動水平，人體可以直接感受到。而發(fā)動機(jī)缸體振動代表作為激勵源的發(fā)動機(jī)振動水平。

圖1 振動測點(diǎn)布置

試驗(yàn)過程中，首先需要熱車，使發(fā)動機(jī)水溫升到90度以上，達(dá)到正常怠速工況。檢查冷卻風(fēng)扇狀態(tài)，確認(rèn)是風(fēng)扇不開啟的怠速工況。然后基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和專用采集軟件進(jìn)行振動測試，對怠速工況的振動信號進(jìn)行采集，每組工況采集的時(shí)間長度為60s，同時(shí)為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每組工況采集三組數(shù)據(jù)。

被測車輛的怠速轉(zhuǎn)速為770 r/min，可計(jì)算得到其轉(zhuǎn)頻基頻為12.8 Hz。對人體直接感受到的座椅導(dǎo)軌振動數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，如圖2所示。由結(jié)果可知振動信號中除了正常的2階成分之外，還存在較大的0.5階和1階成分，且其幅值比2階更大，這與主觀感受的異常抖動相吻合。因?yàn)?階為0.5階的倍頻成分，所以重點(diǎn)研究0.5階的異常抖動。

為了明確發(fā)動機(jī)激勵與怠速異常抖動的關(guān)系，試驗(yàn)過程中通過修改標(biāo)定參數(shù)，調(diào)整了發(fā)動機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速，將其從平均700 r/min間隔20 r/min逐漸調(diào)整到平均900 r/min。分別測試各工況下的座椅和發(fā)動機(jī)振動水平。

圖2 座椅導(dǎo)軌振動信號

對不同怠速轉(zhuǎn)速的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)座椅導(dǎo)軌的振動信號一直存在較為突出的0.5階成分，且其峰值頻率隨怠速轉(zhuǎn)速而變化。此外發(fā)動機(jī)缸體的振動信號同樣存在較為突出的0.5階成分。座椅導(dǎo)軌和發(fā)動機(jī)缸體的0.5階振動幅值隨怠速轉(zhuǎn)速變化如圖3所示。

由圖3可知，座椅導(dǎo)軌的0.5階異常抖動幅值隨發(fā)動機(jī)缸體的0.5階振動幅值而變化。計(jì)算此兩組數(shù)據(jù)的相干系數(shù)為0.97，說明此兩組信號強(qiáng)相關(guān)。由此可證明整車怠速工況的0.5階異常抖動是由發(fā)動機(jī)的0.5階激勵引起的。

圖3 發(fā)動機(jī)和座椅0.5階振動隨怠速轉(zhuǎn)速變化

2 發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性分析

由以上分析可知，發(fā)動機(jī)的0.5階異常振動是引起整車怠速異常抖動的激勵源。已有研究表明，發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲與缸內(nèi)燃燒壓力變化率相關(guān)，如公式3所示[1]。

式中，I為燃燒噪聲聲強(qiáng)，pmax為缸內(nèi)壓力最大值為缸內(nèi)壓力升高率的最大值。

圖4 發(fā)動機(jī)缸壓測試

上式表明發(fā)動機(jī)的振動噪聲與其內(nèi)部的燃燒特性密切相關(guān)。為了分析發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，測試了問題車輛的發(fā)動機(jī)和表現(xiàn)良好的對標(biāo)發(fā)動機(jī)的缸壓在怠速工況的波動水平。測試過程中，用集成了壓力傳感器的同型號火花塞替換發(fā)動機(jī)原火花塞，在整車正常運(yùn)行的怠速工況，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試發(fā)動機(jī)四個缸內(nèi)的壓力變化，測試方法如圖4所示。

測試完成后對缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。發(fā)動機(jī)各缸燃燒的每個循環(huán)中，缸內(nèi)壓力變化如圖5所示。評價(jià)方法如下：當(dāng)?shù)?個峰值遠(yuǎn)大于第1個峰值或與第1個峰值相當(dāng)時(shí)，為正常燃燒，當(dāng)?shù)?個峰值遠(yuǎn)小于第1個峰值時(shí)，屬于燃燒不充分現(xiàn)象，為不正常燃燒循環(huán)。

圖5 發(fā)動機(jī)燃燒一個循環(huán)瞬時(shí)缸壓變化

分析缸壓數(shù)據(jù)過程中，統(tǒng)計(jì)了150個燃燒循環(huán)中有異常抖動的車輛和沒有異常抖動的正常車輛發(fā)動機(jī)各缸缸壓的第1,2個峰值分布。通過對每個循環(huán)中的第1,2個峰值對比，計(jì)算其正常燃燒率來評價(jià)各缸的燃燒穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 有無異常抖動的發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性

由試驗(yàn)結(jié)果可知，怠速工況下，有0.5階異常抖動問題的車輛發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性較差，尤其是第三缸燃燒不充分的現(xiàn)象嚴(yán)重，正常燃燒率僅為30%左右。而沒有異常抖動的正常車輛的發(fā)動機(jī)燃燒很穩(wěn)定，各缸正常燃燒率幾乎為100%。據(jù)此推斷發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性差是0.5階異常抖動的原因。

3 怠速異常抖動原因診斷

為了驗(yàn)證發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性與0.5階異常抖動的關(guān)系，又進(jìn)一步根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行了深入分析，將整車座椅導(dǎo)軌的振動信號與發(fā)動機(jī)四個缸的缸壓信號進(jìn)行時(shí)域同步性分析，結(jié)果如圖7所示。

分析可知，當(dāng)座椅導(dǎo)軌的振動出現(xiàn)0.5階峰值時(shí)，均對應(yīng)發(fā)動機(jī)第三缸活塞位于上止點(diǎn)附近，也就是第三缸燃燒的時(shí)刻。而上一節(jié)的分析表明第三缸燃燒穩(wěn)定性較差，燃燒不充分。由此可確認(rèn)，整車的0.5階異常抖動是由于發(fā)動機(jī)第三缸燃燒不充分引起的。

圖7 座椅振動與發(fā)動機(jī)缸壓關(guān)系

因此為了改善0.5階異常抖動，應(yīng)該檢查發(fā)動機(jī)第三缸的燃燒特性，對其進(jìn)行標(biāo)定或結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]，使其燃燒穩(wěn)定性與其他三缸保持基本一致，即可改善0.5階異常抖動的問題。

4 結(jié)論

整車出現(xiàn)0.5階異常抖動，且抖動頻率隨發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速而變化，說明異常抖動由發(fā)動機(jī)激勵引起。對比問題車輛與正常車輛發(fā)動機(jī)的燃燒特性，問題車輛的發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性差，尤其是其中第三缸正常燃燒率僅為30%左右。通過振動與各缸燃燒的時(shí)域同步性分析，確認(rèn)第三缸燃燒不充分是整車0.5階異常抖動的原因。建議通過標(biāo)定或結(jié)構(gòu)優(yōu)化來改善該問題。