王建鋒張維峰李平

（長安大學(xué)）

基于偏相干分析的大型客車振動(dòng)源識(shí)別試驗(yàn)研究＊

王建鋒張維峰李平

（長安大學(xué)）

針對某客車在實(shí)際運(yùn)行和怠速工況下振動(dòng)較大的問題，采用偏相干分析方法進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。介紹了偏相干分析的基本原理和計(jì)算方法，編制了計(jì)算程序。在該車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置上下側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置上下側(cè)、變速器懸置左右側(cè)和最后排座椅地板等處設(shè)置了6個(gè)測點(diǎn)，通過對6個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的偏相干分析，找出了發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置振動(dòng)是該客車在怠速工況下地板振動(dòng)較大的主要振源，為實(shí)際降振提供了理論依據(jù)。

1 前言

降低車輛振動(dòng)和噪聲是近幾年車輛領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，車輛減振通常從降低振源振動(dòng)、衰減振動(dòng)傳遞兩方面來實(shí)現(xiàn)，而找出振源是實(shí)現(xiàn)減振的關(guān)鍵。

大型客車運(yùn)轉(zhuǎn)部件較多，相應(yīng)的噪聲源也較多，而且各主要噪聲源之間具有相關(guān)性。對于耦合的多振源系統(tǒng)，偏相干技術(shù)可以排除振源之間的相互影響，并判定響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)與各獨(dú)立振源之間的相關(guān)程度，所以偏相干分析更適合用于大型客車的振動(dòng)源識(shí)別。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，偏相干分析和應(yīng)用主要以識(shí)別聲源為主，而對振動(dòng)源識(shí)別的研究和應(yīng)用較少[1，2]。為此，以某大型客車為例，應(yīng)用偏相干技術(shù)進(jìn)行整車振動(dòng)源識(shí)別的試驗(yàn)研究。

2 偏相干分析

2.1 偏相干分析模型

偏相干分析方法是建立在常相干分析理論基礎(chǔ)之上的，常相干分析只適用于單輸入/單輸出系統(tǒng)或是彼此之間不相關(guān)的多輸入/單輸出系統(tǒng)，而對于彼此相關(guān)的多輸入/多輸出問題，常相干分析方法不再適用[2]。在實(shí)際的車輛振動(dòng)系統(tǒng)中，振動(dòng)源往往是非獨(dú)立的，具有一定的相關(guān)性，所以采用相關(guān)法進(jìn)行噪聲源識(shí)別誤差非常大，甚至結(jié)果不可信[3]。偏相干分析能夠?qū)⑿盘栔信c其它信號相干的部分去掉，計(jì)算剩余信號對輸出信號產(chǎn)生的影響，因此，對于多輸入相干振動(dòng)源識(shí)別問題，偏相干分析是一種有效的識(shí)別手段。

應(yīng)用偏相干分析方法識(shí)別振動(dòng)源問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)多輸入/單輸出系統(tǒng)的相干問題。各輸入與輸出的相干程度即相干值越大說明輸入對輸出的貢獻(xiàn)越大，表明該輸入是輸出的主要來源。當(dāng)各輸入之間相互獨(dú)立，即沒有相干性時(shí)，其分析模型如圖1所示，圖1中，xi（t）（i=1，2，···r）為r個(gè)輸入；Hi（f）為各輸入的頻響函數(shù)；y（t）是理論預(yù)計(jì)線性輸出vi（t）與模型所有偏差n（t）的和，即系統(tǒng)的輸出。

圖1 所示模型對相干振源的識(shí)別只能進(jìn)行定性研究，不能定量分析。為了對相干振源進(jìn)行定量識(shí)別，對圖1所示模型進(jìn)行了修改，建立了如圖2所示的相干輸入下的振源識(shí)別模型。圖2中，Xi為輸入信號xi的傅里葉變換，Y為輸出信號y（t）的傅里葉變換，Liy為頻響函數(shù)，N為外界干擾信號。Xi（i-1）！表示X1，X2，···Xi-1條件下的Xi，即從Xi中去掉與X1，X2，···Xi-1相干部分的影響。

2.2 偏相干計(jì)算流程

利用圖2所示模型，通過條件功率譜和偏相干函數(shù)進(jìn)行振源識(shí)別的計(jì)算分析。為減小計(jì)算量，采用迭代方法進(jìn)行偏相干函數(shù)計(jì)算。偏相干函數(shù)計(jì)算式為：

按照式（1）和式（2），通過迭代計(jì)算就可獲得多輸入系統(tǒng)中相關(guān)振源的偏相干函數(shù)[5，6]，具體計(jì)算流程如圖3所示。在獲得偏相干函數(shù)后即可由此分析主要振動(dòng)源及各振源對輸出的貢獻(xiàn)量。

3 大型客車振動(dòng)源識(shí)別試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣車

以某大型客車（公交車）為試驗(yàn)樣車，該樣車采用柴油-電動(dòng)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)后置，車身為非承載式，懸架為空氣懸架?？蛙嚳傞L為11.99 m，最大質(zhì)量為18 000 kg，軸距為6 000 mm，最大功率為165 kW，最大轉(zhuǎn)矩為850 N·m。

3.2 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)樣車在運(yùn)行和怠速情況下整車振動(dòng)尤其是地板振動(dòng)較大，所以初步判斷其振動(dòng)是由動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生，需要研究各主要?jiǎng)恿偝膳c地板之間的振動(dòng)傳遞關(guān)系。因此，試驗(yàn)主要測試發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、變速器支撐等主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)與地板振動(dòng)之間的定量關(guān)系。

試驗(yàn)時(shí)，在變速器支撐點(diǎn)兩側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置兩側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置兩側(cè)各布置2個(gè)加速度傳感器，在最后一排座椅地板上布置1個(gè)加速度傳感器，具體布置位置（圓圈所示）如圖4所示。

在車輛怠速工況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從600 r/min增加到800 r/min，每增加50 r/min進(jìn)行1次測量，共測量5次。每次測試過程中，利用轉(zhuǎn)速測試儀監(jiān)測測試車輛的轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí)，開始記錄各測點(diǎn)處的振動(dòng)加速度信號。

3.3 試驗(yàn)分析

雖然被測試車輛的橡膠懸置是非線性系統(tǒng)，而偏相干分析只適用于線性系統(tǒng)，但車輛在穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和車輛系統(tǒng)是一個(gè)弱線性系統(tǒng)，其激勵(lì)是平穩(wěn)正態(tài)的隨機(jī)過程，根據(jù)相關(guān)理論，可以將該系統(tǒng)按線性系統(tǒng)分析[5]。

由于在怠速工況下試驗(yàn)樣車的振動(dòng)主要由車輛的動(dòng)力總成產(chǎn)生，因此可采用最后排座椅地板處的振動(dòng)代替整車的地板振動(dòng)，這樣整車振動(dòng)識(shí)別問題就轉(zhuǎn)化為以多種動(dòng)力總成振動(dòng)為輸入、地板振動(dòng)為輸出的偏相干分析問題，即將車身和車架視為振動(dòng)系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、變速器支撐點(diǎn)作為振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)，將振動(dòng)強(qiáng)度最大的最后排座椅地板處作為振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)，利用偏相干分析方法對其進(jìn)行分析，以識(shí)別出主要振動(dòng)源。本文只給出轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)的分析結(jié)果，在該轉(zhuǎn)速下，各測點(diǎn)的加速度測量值如圖5～圖8所示，圖中只給出了測量時(shí)域歷程中20～24 s的數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相干分析。

按照前述的偏相干分析方法和計(jì)算流程，計(jì)算獲得在750 r/min下，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、變速器支撐點(diǎn)各測點(diǎn)與最后排座椅地板處的偏相干函數(shù)曲線，如圖9～圖11所示。

從圖9～圖11可看出，測試樣車在750 r/min怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器各測點(diǎn)與最后排座椅地板處的偏相干系數(shù)在100 Hz以下時(shí)較大，各測點(diǎn)的偏相干函數(shù)曲線在37.3 Hz附近出現(xiàn)峰值，在該頻率處發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的偏相干系數(shù)最大，約為0.8，變速器支撐點(diǎn)的偏相干系數(shù)最小，約為0.3。

圖12為該客車在750 r/min怠速時(shí)，各測點(diǎn)與最后排座椅地板測點(diǎn)之間的最大偏相干系數(shù)的排序，偏相干系數(shù)越大說明該測點(diǎn)對地板振動(dòng)的貢獻(xiàn)越大，即為最主要的振源。

由圖12可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置與最后排座椅地板處的相關(guān)程度最大，可以確定車輛地板的振動(dòng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的振動(dòng)通過其懸置傳遞到后排座椅地板處而產(chǎn)生的，即發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置是地板振動(dòng)的主要振動(dòng)源。

其它怠速轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，在5種怠速轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置與最后排座椅地板處的偏相干系數(shù)都較大，因此可進(jìn)一步確定發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置是怠速工況下地板振動(dòng)的主要振動(dòng)源。

4 結(jié)束語

針對某大型客車在實(shí)際運(yùn)行和怠速運(yùn)行中振動(dòng)較大的問題，采用偏相干分析方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。建立大型客車多輸入/單輸出振動(dòng)源識(shí)別模型，編制偏相干計(jì)算程序，對該車輛的6個(gè)測點(diǎn)與后排座椅地板之間分別進(jìn)行偏相干分析，定量給出了各測點(diǎn)對整車振動(dòng)的貢獻(xiàn)量，找出了該客車在怠速工況下地板振動(dòng)的主要振動(dòng)源，為進(jìn)一步減振降噪提供了理論基礎(chǔ)。

1趙海瀾，汪鴻振.偏相干分析識(shí)別噪聲源的計(jì)算.噪聲與振動(dòng)控制，2005（8）:31～33.

2萬泉，蔣偉康.用于循環(huán)平穩(wěn)信號分析的偏相干方法.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2005，41（7）:174～179.

3Wu Xudong，Zuo Shuguang，LeiLei.Simulation of suspensiontire system model based on rear axle of twist beam.Applied Mechanics and Materials，2010，34-35:1906-1910.

4Lee Jin-Hyeon，Yang Seung-Han.Statistical Optimization and Assessment of a Thermal Error Model for CNC Machine Tools.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2002，42（1）:147～155.

5余桐奎.基于多輸入/輸出模型的噪聲源分離：[學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

6李學(xué)軍，李萍，褚福磊.基于相關(guān)函數(shù)的多振動(dòng)信號數(shù)據(jù)融合方法.振動(dòng)、測試與診斷，2009，29（2）:179～183.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年9月2日。

Experimental Study on Vibration Sources Identification for Large Bus Based on Partial Coherence Analysis

Wang Jianfeng1，2，Zhang Weifeng1，Li Ping2
（Chang′an University）

To identify sources of excessive vibration of a large-sized bus in practical operation and idling conditions，theoretical analysis and experimental study are carried out with partial coherence analysis method.The fundamental principles and calculation method are introduced and calculation procedure is programmed.Six measuring points are set at both sides of engine front mounting，both sides of engine rear mounting，both sides of transmission mounting and underfloor at the rearmost row seat.Through partial coherence analysis of the data obtained at the six measuring points，we identify that vibration from engine front mounting is the main source of the excessive vibration of bus underfloor in idling conditions，this provides theoretical basis for the reduction of vehicle vibration.

Large bus,Vibration sources identification,Partial coherence analysis

客車振動(dòng)源識(shí)別偏相干分析

U467.4+92

：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1000-3703（2014）02-0036-04

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012JQ7030);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（CHD2011JC147）。