轉(zhuǎn)速相關(guān)與車速相關(guān)的兩類汽車振動(dòng)分析應(yīng)用

俞俊兆 譚繼錦

摘? 要：文章對(duì)引起汽車異常振動(dòng)的原因進(jìn)行了研究，將引起汽車振動(dòng)的原因歸為與轉(zhuǎn)速或與車速相關(guān)兩類，總結(jié)出汽車異常振動(dòng)測(cè)試與分析流程。以某型汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的異常振動(dòng)問(wèn)題為例開(kāi)展道路試驗(yàn)，結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)和車輪偏頻試驗(yàn)，確定試驗(yàn)車輛的異常振動(dòng)是由于車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與車輪總成偏頻同頻導(dǎo)致，同時(shí)車架進(jìn)一步放大了振動(dòng)。針對(duì)引起該車輛異常振動(dòng)的原因提出改進(jìn)意見(jiàn)，減弱了車輛的異常振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：異常振動(dòng);轉(zhuǎn)速;車速;道路試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467.1+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0066-05

Abstract： The article studies the causes of abnormal vibration of automobiles， classifies the causes of automobile vibrations into two categories related to rotational speed or vehicle speed， and summarizes the process of automobile abnormal vibration testing and analysis. Carry out a road test with an example of abnormal vibration generated by a certain type of vehicle. Combining the modal test and the wheel frequency deviation test， it was determined that the abnormal vibration of the test vehicle was caused by the rotation frequency of the wheel and the frequency deviation of the wheel assembly， and the frame further amplified the vibration. Suggestions for improving the abnormal vibration of the vehicle were put forward， and the abnormal vibration of the vehicle was reduced.

Key Words： Abnormal vibration; Rotating speed; Vehicle speed; Road test

引? ? 言

隨著汽車各方面性能提升的需求，振動(dòng)性能分析顯得尤為重要。造成汽車振動(dòng)的原因主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件以及路面激勵(lì)等。在行駛過(guò)程中，如果傳動(dòng)軸和輪胎等高速旋轉(zhuǎn)部件出現(xiàn)異常，就會(huì)產(chǎn)生周期性的離心力，導(dǎo)致異常振動(dòng)。當(dāng)這些振動(dòng)傳遞到車架或車身上時(shí)，一旦發(fā)生激勵(lì)頻率與車身固有頻率相近甚至相同，就會(huì)產(chǎn)生較大的振幅，甚至造成明顯的異常振動(dòng)。

引起汽車振動(dòng)的外部原因有多種，汽車振動(dòng)不可避免，但產(chǎn)生異?；蜻^(guò)大振幅振動(dòng)是汽車產(chǎn)品必須避開(kāi)的基本要求。測(cè)試與分析產(chǎn)生異常振動(dòng)原因的方法有多種，但可以將其簡(jiǎn)單歸為兩類：一類是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，即由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)引起，與車身或其他部件發(fā)生共振;另一類是與車速相關(guān)，即由車輪等旋轉(zhuǎn)部件引起，與車身等部件產(chǎn)生同頻?；谶@一原理，通過(guò)獲取車身與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等部位少量的測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)信息，就可以分析查找引起汽車振動(dòng)的原因及傳遞路徑。

以某型汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的異常振動(dòng)問(wèn)題為應(yīng)用實(shí)例，根據(jù)汽車振動(dòng)故障排除流程，結(jié)合道路試驗(yàn)與兩類汽車振動(dòng)原理分析，明確引起異常振動(dòng)的原因，為解決類似汽車振動(dòng)問(wèn)題提供了分析方案。

1? ? 汽車振動(dòng)激勵(lì)源分析

1.1? ?路面激勵(lì)

由于路面不平整引起的整車振動(dòng)，是汽車外部激勵(lì)振動(dòng)的最基本輸入，由此對(duì)乘客與所裝載貨物產(chǎn)生的影響，一般用汽車平順性指標(biāo)加以評(píng)價(jià)。路面激勵(lì)會(huì)使汽車產(chǎn)生垂向與縱向等隨機(jī)振動(dòng)，這些振動(dòng)經(jīng)車輪與懸架等傳遞至車身，不僅影響行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，還會(huì)影響到車輛的使用壽命[1]。

1.2? ?發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)軸激勵(lì)

發(fā)動(dòng)機(jī)是引起汽車振動(dòng)的主要激勵(lì)源，包括氣缸的燃?xì)鈮毫颓B桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力等，產(chǎn)生的振動(dòng)屬于周期性振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，氣缸燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)連桿使得曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

活塞受到的作用力包括氣體力和往復(fù)慣性力，作用于活塞中心，通過(guò)連桿傳到連桿軸頸，產(chǎn)生垂直曲柄的切向力和沿著曲柄的徑向力，引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，慣性力分析較復(fù)雜。一般將連桿的質(zhì)量換算成兩個(gè)集中質(zhì)量，一部分集中于連桿小頭，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng);另一部分集中于連桿大頭，與曲柄一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[2]。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞每上下一次，曲軸完成旋轉(zhuǎn)一圈。因此，完成4個(gè)沖程，曲軸需要旋轉(zhuǎn)兩圈。每一個(gè)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)2圈，完成一次燃燒，點(diǎn)火階次是0.5階次。所以對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其激勵(lì)頻率f（Hz）可由如下公式計(jì)算：

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速箱傳遞到傳動(dòng)軸，如果傳動(dòng)軸不平衡則會(huì)產(chǎn)生不平衡力。傳動(dòng)軸不平衡可能是加工精度問(wèn)題，或者是使用過(guò)程產(chǎn)生的幾何形變、擰緊零部件松動(dòng)脫落等原因，破環(huán)了傳動(dòng)軸原來(lái)的動(dòng)平衡條件，使得傳動(dòng)軸質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸線不重合。傳動(dòng)軸激勵(lì)頻率為：

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間存在關(guān)聯(lián)（式3），但轉(zhuǎn)速與車速引起的振動(dòng)原因卻不相同，這是分析汽車振動(dòng)時(shí)要注意的問(wèn)題。

1.3? ?車輪激勵(lì)

輪胎及車輪不均勻也是引起汽車振動(dòng)的重要激勵(lì)源。輪胎均勻性指的是在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，輪胎圓周特性恒定不變的性能，包括輪胎的質(zhì)量不平衡、尺寸偏差和剛度不均勻，存在不平衡的輪胎在滾動(dòng)時(shí)將會(huì)引起它作用在地面上力和力矩的變化[3]。當(dāng)汽車在路況較好的路面上行駛時(shí)且車速較高時(shí)，車輪不平衡將取代路面不平，成為引起汽車振動(dòng)的主要因素。

車輪的不平衡質(zhì)量在車輪平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致徑向與縱向的激振力，使輪胎徑向跳動(dòng)，如果不平衡質(zhì)量不在輪胎的縱向?qū)ΨQ中心平面上，還會(huì)產(chǎn)生周期性變化的翻轉(zhuǎn)力矩和回正力矩，引起車輪擺振，影響汽車的操穩(wěn)性與行駛安全性。車輪激振頻率為：

另外，車輪激勵(lì)頻率與傳動(dòng)軸激勵(lì)頻率存在式（5）關(guān)系：

上述與車速及轉(zhuǎn)速相關(guān)的激勵(lì)頻率公式是分析判斷引起汽車振動(dòng)原因的基本原理。

2? ? 異常振動(dòng)診斷方法

為解決汽車出現(xiàn)的異常振動(dòng)問(wèn)題，需要根據(jù)車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合道路試驗(yàn)測(cè)試若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)特征信息，借助故障診斷流程與分析方法，查找車身等部件上的振動(dòng)響應(yīng)的頻率組成，按與車速相關(guān)還是轉(zhuǎn)速相關(guān)進(jìn)行分類，明確引起振動(dòng)的激勵(lì)源，相應(yīng)采取有針對(duì)性的整改措施。

汽車故障分析方法包括傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法、故障樹(shù)法、信號(hào)處理小波分析法等[4]。通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試，利用加速度傳感器得出汽車相關(guān)部件測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)頻譜信息來(lái)診斷汽車異常振動(dòng)，已經(jīng)成為汽車故障診斷中的主流方法。兩類異常振動(dòng)測(cè)試與分析流程如圖1所示：

3? ? 某型皮卡異常振動(dòng)分析

3.1? ?道路測(cè)試

由根據(jù)企業(yè)反饋以及摸底試車情況，某型皮卡車在車速90-120km/h范圍內(nèi)，車輛出現(xiàn)異常振動(dòng)，影響汽車舒適性和可靠性。為了查找引起異常振動(dòng)的原因，進(jìn)行整車道路行駛試驗(yàn)，測(cè)試各個(gè)速度段的車輛振動(dòng)信號(hào)，分析不同車速下車身等部件的振動(dòng)響應(yīng)情況，明確異常振動(dòng)的原因[5]。

被測(cè)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，輪胎型號(hào)為265/65R17，滾動(dòng)半徑為0.38m，變速器速比四檔為1.000，五檔為0.857，主減比為4.875。

按照上述振動(dòng)分析方法，采用便攜式四通道動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，選用4只單向加速度傳感器，各測(cè)點(diǎn)具體布置位置如表1所示，4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜信能夠反映整車的的基本動(dòng)態(tài)特性。

按測(cè)試車輛分別以4檔與5檔，車速為80 km/h-120km/h在平坦路面上進(jìn)行道路測(cè)試，記錄速度變化間隔為10km/h。整車道路試驗(yàn)后對(duì)各測(cè)點(diǎn)傳感器響應(yīng)進(jìn)行頻譜處理分析，從各測(cè)點(diǎn)加速度自譜，分析各峰值所對(duì)應(yīng)的頻率，并與車速激勵(lì)頻率和轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率進(jìn)行對(duì)比，為明確異常振動(dòng)激勵(lì)源提供指導(dǎo)。限于篇幅，僅列舉幾幅較有代表性的各測(cè)點(diǎn)加速度自譜圖，圖2-5為兩種檔位不同車速下的測(cè)點(diǎn)加速度自功率譜圖。

各測(cè)點(diǎn)道路試驗(yàn)最大振幅峰值頻率數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)儀表盤(pán)轉(zhuǎn)速與車速如表2，其他振幅對(duì)應(yīng)頻率未在表中列出。

3.2? ?異常振動(dòng)原因分析

由于振動(dòng)只在特定的車速下發(fā)生，說(shuō)明振動(dòng)與車速有關(guān)，分析各測(cè)點(diǎn)道路試驗(yàn)最大振幅峰值頻率發(fā)現(xiàn)，峰值頻率之間存在倍數(shù)關(guān)系，因此認(rèn)為振源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪或者傳動(dòng)軸。

按照式（1），根據(jù)儀表盤(pán)顯示的車速或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算出近似的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。從測(cè)試數(shù)據(jù)中找出振幅較大且與近似發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率相近的頻率，即為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際激勵(lì)頻率，進(jìn)而反算得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。再由式（3）、式（4）或（5）計(jì)算出實(shí)際車輪激勵(lì)頻率與傳動(dòng)軸激勵(lì)頻率，如表3所示：

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中車速不變換擋后，振動(dòng)并未消失，說(shuō)明與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以排除發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)影響。測(cè)點(diǎn)3峰值基本集中在高頻段，主要反映發(fā)動(dòng)機(jī)影響;測(cè)點(diǎn)1頻譜分布范圍廣，在0-120Hz頻段內(nèi)均有分布，因反映測(cè)點(diǎn)1受多個(gè)激勵(lì)源共同作用;測(cè)點(diǎn)2和4的峰值在40-80Hz之間之間沒(méi)有分布，與傳動(dòng)軸激勵(lì)頻率不在同一頻段，可以排除傳動(dòng)軸激勵(lì)的影響。

結(jié)合各車速下車輪實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，發(fā)現(xiàn)在該頻率附近，測(cè)點(diǎn)2、4都出現(xiàn)相對(duì)較大的振幅，因此車輛異常振動(dòng)的激勵(lì)源應(yīng)是車輪引起。

為進(jìn)一步明確振動(dòng)激勵(lì)源，進(jìn)行了整車偏頻試驗(yàn)和車架模態(tài)試驗(yàn)。測(cè)試車輛的車輪偏頻試驗(yàn)為：前車輪頻率為12.25Hz，后車輪為13.63Hz。車架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果是：車架一階扭轉(zhuǎn)頻率為21.87Hz，一階彎曲頻率為22.96Hz。

上述數(shù)據(jù)分析表明，車速為110km/h時(shí)，車輪振動(dòng)頻率和前車輪偏頻基本一致，車架一階彎曲頻率和車輪激勵(lì)頻率倍頻接近，從車輪到懸架，再到車架，其相近頻率的振動(dòng)傳遞路徑放大了振動(dòng)效應(yīng)，從而導(dǎo)致了車身內(nèi)感覺(jué)到的異常振動(dòng)。因此可以得出結(jié)論：特定車速下，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與車輪總成偏頻同頻，振動(dòng)傳遞至車架時(shí)被進(jìn)一步放大，導(dǎo)致了車身內(nèi)感覺(jué)明顯的異常振動(dòng)。

為解決或減弱出現(xiàn)的異常振動(dòng)，可以從車輪和車架兩方面考慮。一方面，可以通過(guò)改變車架厚度等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法使一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲的頻率相互錯(cuò)開(kāi)，同時(shí)避免與車輪激勵(lì)頻率倍頻相近;另一方面，精細(xì)調(diào)整好車輪動(dòng)平衡，選擇輪胎均勻性質(zhì)量高的型號(hào)輪胎。在后續(xù)補(bǔ)充更換優(yōu)質(zhì)輪胎試驗(yàn)中，異常振動(dòng)明顯減弱，甚至消失，充分說(shuō)明了分析方法與解決方案的正確性。

3? ? 總結(jié)

本文將引起汽車振動(dòng)的原因歸為了兩類，即與轉(zhuǎn)速相關(guān)和車速相關(guān)的兩類振動(dòng)，概要說(shuō)明了汽車振動(dòng)的主要激勵(lì)源，以及分析與測(cè)試診斷兩類振動(dòng)的方法，并針對(duì)某型皮卡車進(jìn)行了測(cè)試與分析說(shuō)明，給出了一套分析與解決汽車異常振動(dòng)的快速簡(jiǎn)單方案。

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