相龍洋，顧彥，黃亞

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汽車怠速間歇性異常抖動(dòng)研究

相龍洋，顧彥，黃亞

（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）

汽車在怠速工況，間歇性異常抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響駕乘舒適性。針對該問題，對車輛的振動(dòng)特性、轉(zhuǎn)速波動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒參數(shù)進(jìn)行了全面測試?；陂g歇性異常抖動(dòng)特征對發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)、進(jìn)氣壓力，噴油量和點(diǎn)火提前角進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。綜合利用時(shí)域分析、頻譜分析和角度域分析相結(jié)合的方法來識(shí)別異常抖動(dòng)原因。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的進(jìn)氣壓力，噴油量和點(diǎn)火提前角控制不穩(wěn)定，在一段時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大，引起發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，進(jìn)而引起車內(nèi)的一階異常抖動(dòng)的間歇性變化。建議對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化來改善該問題。

間歇性抖動(dòng)；轉(zhuǎn)速波動(dòng)；進(jìn)氣壓力；噴油量；點(diǎn)火提前角

前言

汽車行駛在城市道路時(shí)，怠速工況時(shí)間占整車運(yùn)行時(shí)間的比例高達(dá)30%。且該比例隨著交通擁堵的加劇而在繼續(xù)增大。而汽車怠速工況下的振動(dòng)特性對車內(nèi)主觀體驗(yàn)有非常明顯的影響。通?？梢酝ㄟ^傳遞路徑和激勵(lì)源兩個(gè)角度著手來研究汽車NVH[1]。汽車是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含多種振動(dòng)噪聲激勵(lì)源，每種激勵(lì)源會(huì)通過多個(gè)路徑，傳遞到響應(yīng)點(diǎn)，傳遞過程中會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)的衰減作用。由于傳遞路徑的復(fù)雜性和多樣性，為了顯著降低響應(yīng)點(diǎn)處的振動(dòng)噪聲幅值，對激勵(lì)源的優(yōu)化才是最有效的辦法。如果能大大減小激勵(lì)源，那么整車的NVH性能就可以有明顯的提升。

汽車振動(dòng)噪聲主要包含三部分：動(dòng)力總成噪聲、輪胎噪聲和風(fēng)噪聲。作為主要?jiǎng)恿Σ考陌l(fā)動(dòng)機(jī)，提供的動(dòng)力會(huì)存在周期性的波動(dòng)，該波動(dòng)會(huì)對整車產(chǎn)生激勵(lì)力。對于最常見的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因各缸燃燒而帶來的二階激勵(lì)是其最主要的激勵(lì)成分。因此，正常整車上最主要的振動(dòng)噪聲應(yīng)為連續(xù)性的二階成分。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，可能會(huì)產(chǎn)生異常的0.5階或1階振動(dòng)，甚至其幅值還會(huì)時(shí)大時(shí)小，產(chǎn)生間歇性。因?yàn)槠漕l率相對較低，人體對低頻振動(dòng)更加敏感，所以這會(huì)極大影響車內(nèi)乘客的駕乘體驗(yàn)[2]。

本文針對整車怠速工況出現(xiàn)的異常抖動(dòng)問題，基于時(shí)域分析、頻域分析和角度域分析相結(jié)合的方法[3]-[5]，首先對整車怠速異常抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行診斷分析，同時(shí)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸瞬態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。然后針對影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的進(jìn)氣壓力，噴油量和點(diǎn)火提前角分別進(jìn)行研究，通過抖動(dòng)明顯工況和抖動(dòng)不明顯工況的對比，明確燃燒控制參數(shù)的差異性，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(dòng)特征分析

首先對整車怠速振動(dòng)特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，采用振動(dòng)加速度傳感器測試車內(nèi)座椅導(dǎo)軌處的振動(dòng)，如圖1所示。座椅上的振動(dòng)代表車內(nèi)振動(dòng)水平，人體可以直接感受到。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速在很大程度上反映發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，所以在試驗(yàn)中同時(shí)測試了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，據(jù)此來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是否穩(wěn)定。

試驗(yàn)過程中，為了測試正常怠速工況，首先要熱車，監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到90度以上。其次檢查冷卻風(fēng)扇狀態(tài)，確認(rèn)風(fēng)扇不開啟，以便排除風(fēng)扇振動(dòng)的影響。然后基于專業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集軟件進(jìn)行振動(dòng)測試，對怠速工況的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。為了反映整車在一段時(shí)間內(nèi)的怠速穩(wěn)態(tài)振動(dòng)水平，測試時(shí)長為30min。測試人員坐在車內(nèi)，采集客觀數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行主觀評價(jià)。

圖1 車內(nèi)座椅振動(dòng)測點(diǎn)

1.1 車內(nèi)座椅抖動(dòng)特征

圖2 座椅振動(dòng)頻譜對比

測試人員主觀評價(jià)過程中，感受到車內(nèi)低頻振動(dòng)波動(dòng)較大，在不同時(shí)間段，振動(dòng)有明顯區(qū)別，時(shí)而明顯，時(shí)而不明顯。即存在低頻間歇性抖動(dòng)。分別截取車內(nèi)座椅處抖動(dòng)明顯和不明顯的時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析[6]，如圖2所示。

被測車輛的怠速轉(zhuǎn)速為680 r/min，可計(jì)算得到其轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為11.3 Hz。由圖2可知，不同時(shí)間段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)1階振動(dòng)波動(dòng)較大，抖動(dòng)明顯時(shí)1階振動(dòng)幅值是抖動(dòng)不明顯時(shí)的1.5倍。與此可知，車內(nèi)乘客感受到的間歇性抖動(dòng)主要由1階振動(dòng)的波動(dòng)而引起。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

針對圖2中車內(nèi)抖動(dòng)明顯和不明顯的時(shí)間段，提取同步采集的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并通過頻譜分析來表征其波動(dòng)特征。如圖3所示。

由圖3可知，車內(nèi)抖動(dòng)不明顯時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)較??；而車內(nèi)抖動(dòng)明顯時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，是抖動(dòng)不明顯時(shí)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)的2.25倍。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對比

根據(jù)以上分析可知，車內(nèi)乘客感受到的間歇性抖動(dòng)是由于發(fā)動(dòng)機(jī)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)不穩(wěn)定引起的。所以需要重點(diǎn)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。

在整車振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的測試過程中，同步測試了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力和四缸點(diǎn)火信號(hào)，同時(shí)結(jié)合CAN信號(hào)，可以對決定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的進(jìn)氣，噴油和點(diǎn)火特性分別進(jìn)行深入分析。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和噴油量波動(dòng)分析

上一節(jié)分析表明，車內(nèi)1階振動(dòng)不穩(wěn)定，在一段時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大。因此將試驗(yàn)采集的30min內(nèi)，座椅振動(dòng)的一階信號(hào)提取出來。同時(shí)對比發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力信號(hào)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力與車內(nèi)1階振動(dòng)對比

圖4表明，在采集的約30min內(nèi)，車內(nèi)座椅1階振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力信號(hào)均不穩(wěn)定，存在明顯的波動(dòng)。值得注意的是，車內(nèi)1階振動(dòng)幅值隨進(jìn)氣壓力的增大而增大，隨進(jìn)氣壓力的減小而減小。在進(jìn)氣壓力分別出現(xiàn)峰值和谷值的時(shí)刻，車內(nèi)1階振動(dòng)也分別出現(xiàn)相應(yīng)的峰值和谷值，說明進(jìn)氣壓力的波動(dòng)對車內(nèi)1階間歇性抖動(dòng)有明顯關(guān)聯(lián)。

進(jìn)氣壓力的變化一般會(huì)隨之引起噴油量的變化。針對圖2中車內(nèi)抖動(dòng)明顯和不明顯時(shí)間段，提取基于整車CAN信號(hào)同步采集的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量信號(hào)，時(shí)間長度為20s，如圖5所示。根據(jù)圖5計(jì)算平均噴油量。抖動(dòng)不明顯的時(shí)間段平均噴油量為0.6L/h，而抖動(dòng)明顯的時(shí)間段平均噴油量為0.65L/h，比抖動(dòng)不明顯時(shí)增大了8%。同時(shí)也說明了噴油控制不穩(wěn)定，存在波動(dòng)。

圖5 抖動(dòng)明顯和不明顯時(shí)噴油量對比

3 點(diǎn)火提前角波動(dòng)分析

點(diǎn)火提前角是影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的另一重要參數(shù)。針對圖2中車內(nèi)抖動(dòng)明顯和不明顯時(shí)間段，提取出同步采集的發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)缸的點(diǎn)火控制電壓信號(hào)?；谇S信號(hào)盤的缺齒信號(hào)，可以將點(diǎn)火控制電壓轉(zhuǎn)換到角度域。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)兩轉(zhuǎn)720度，以第一缸上止點(diǎn)為零度原點(diǎn)。每個(gè)循環(huán)中依次有四個(gè)缸的點(diǎn)火控制信號(hào)。根據(jù)各缸的點(diǎn)火電壓與其上止點(diǎn)之間的角度即可計(jì)算出點(diǎn)火提前角。

首先對比抖動(dòng)明顯和抖動(dòng)不明顯的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的點(diǎn)火信號(hào)，如圖6所示。很明顯，抖動(dòng)明顯的工況與抖動(dòng)不明顯的工況對比，點(diǎn)火時(shí)刻有明顯推遲，也就是點(diǎn)火提前角明顯減小。說明這兩個(gè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火控制有明顯差異。

圖6 抖動(dòng)明顯和不明顯時(shí)點(diǎn)火信號(hào)對比

針對抖動(dòng)明顯和不明顯的兩個(gè)工況，分別統(tǒng)計(jì)20s內(nèi)同一缸的點(diǎn)火提前角，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，抖動(dòng)明顯的工況，點(diǎn)火提前角更分散，波動(dòng)量明顯偏大。四缸點(diǎn)火提前角的平均值和波動(dòng)方差如表1所示。

表1表明，抖動(dòng)明顯的工況，點(diǎn)火提前角均值更小。波動(dòng)方差更大，是抖動(dòng)不明顯工況的3倍，說明發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角控制不穩(wěn)定，對整車的間歇性抖動(dòng)貢獻(xiàn)明顯。

圖7 抖動(dòng)明顯和不明顯一缸點(diǎn)火提前角對比

表1 抖動(dòng)明顯和不明顯四缸點(diǎn)火提前角統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

整車出現(xiàn)一階間歇性異常抖動(dòng)，是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制不穩(wěn)定引起的。在一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力波動(dòng)較大，噴油量不穩(wěn)定以及點(diǎn)火提前角的波動(dòng)較大，會(huì)導(dǎo)致其燃燒性能不穩(wěn)定。進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)增大，對整車產(chǎn)生不穩(wěn)定的激勵(lì)。在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的波動(dòng)變化，便會(huì)引起車內(nèi)的間歇性抖動(dòng)，嚴(yán)重影響主觀感受。建議優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，以此來改善間歇性抖動(dòng)的問題。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 相龍洋,顧彥.汽車怠速異常抖動(dòng)分析及診斷[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2019(2):172-174.

[3] Longyang Xiang, ShuguangZuo, Xudong Wu, et al. Study of multi- chamber micro-perforated muffler with adjustable transmission loss [J]. Applied acoustics, 2017,122: 35-40.

[4] Longyang Xiang, ShuguangZuo, Xudong Wu, et al. Acoustic behavi -our analysis and optimal design of a multi-chamber reactive muffler[J]. Proceeding of the institution of mechanical engineering, Part D-Journal of automobile engineering, 2016,230(13):1862-1870.

[5] Longyang Xiang, ShuguangZuo, Lvchang He, et al. Optimization of Interior Permanent Magnet Motor on Electric Vehicles to Reduce Vibration Caused by the Radial Force[J].Applied computional electro magnetics society journal, 2014,29(4):340-350.

[6] 相龍洋,左曙光,何呂昌等.基于試驗(yàn)的汽車手動(dòng)變速器噪聲源識(shí)別[J].振動(dòng),測試與診斷,2013,33(3): 426-431.

Study of intermittent abnormal shake of vehicle idle condition

Xiang Longyang, Gu Yan, Huang Ya

( Vehicle Integration Department, Technical Center of SAIC Motor, Shanghai 201804 )

The intermittent abnormal shake of the automobile under idle condition significantly affects the driving comfort. The vehicle vibration and combustion behavior of the engine are tested and analyzed, including the engine speed fluctuation, inlet air pressure, oil injection and the ignition angle. Then the time domain analysis, spectral analysis and angle domain analysis are used to identify the source of theabnormal shake. The study reveals some conclusions. The inlet air pressure,oil injection and ignition angle are unsteady during a period of time so that the engine rotation speed fluctuate intermittently. Then the vibration of 1storder of the engine and seat fluctuate accordingly. It is advised that the burning stabilityoptimization of the engine be used to improve this problem.

intermittent abnormal idle shake;speed fluctuation;inlet air pressure;oil injection;ignition angle

U472

A

1671-7988(2019)08-136-03

U472

A

1671-7988(2019)08-136-03

相龍洋（1988-），男，博士，工程師，就職于上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要研究汽車振動(dòng)與噪聲控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.043