某款汽車怠速間歇性抖動問題的優(yōu)化研究

陳連庭，滕建耐

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車的普及，消費(fèi)者對汽車NVH性能的要求越來越高。車輛原地怠速時的NVH性能是評價汽車NVH性能的重要指標(biāo)，直接影響用戶、市場對汽車品質(zhì)的評價。汽車發(fā)動機(jī)是車輛發(fā)生抖動的主要來源，減小怠速車內(nèi)抖動一是減小激勵源的振動，二是切斷和激勵源的傳遞路徑。

1 問題描述及分析

整車進(jìn)行NVH試驗時，在發(fā)動機(jī)熱機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛的空調(diào)、大燈等電器關(guān)閉，發(fā)動機(jī)無負(fù)載時，乘客在汽車座椅上感受到無規(guī)律的間歇性抖動。經(jīng)過在實(shí)車座椅軌道布置傳感器采集數(shù)據(jù)，截取其中基于整車怠速的120 s數(shù)據(jù)，可看出在120 s內(nèi)大概出現(xiàn)了5次比較明顯的異常抖動現(xiàn)象，如圖1所示。

為了便于分析，定義車輛前后長度方向為X向，車輛左右寬度方向為Y向，車輛上下高度方向為Z向。結(jié)合實(shí)車測量數(shù)據(jù)和圖2分析發(fā)現(xiàn)：

（1）車輛座椅產(chǎn)生的間隙性抖動頻率范圍為9～11 Hz，抖動最大時刻對應(yīng)的中心頻率為10Hz。

（2）間隙性抖動（10 Hz）的1階幅值是發(fā)動機(jī)正常2階振動（25 Hz）的2倍多；一般而言，汽車動力總成懸置系統(tǒng)主要隔絕2階的振動成分，對1階不進(jìn)行隔絕，當(dāng)1階振幅明顯高于2階時，汽車乘員能明顯感受到振動，該車輛所測量數(shù)據(jù)與主觀感知一致。

圖1 基于整車怠速的120s抖動數(shù)據(jù)

圖2 數(shù)據(jù)采集圖譜

2 原因排查

根據(jù)故障模式，初步懷疑原因有幾點(diǎn)：懸置設(shè)計不合理、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件動平衡量過大、發(fā)動機(jī)怠速時燃燒不穩(wěn)定。運(yùn)用FTA質(zhì)量分析工具，進(jìn)行逐一排查。

2.1 動力總成懸置設(shè)計合理性排查

經(jīng)過對車輛動力總成的前后左右四個懸置進(jìn)行CAE模態(tài)分析，其設(shè)計方案模態(tài)滿足設(shè)計目標(biāo)要求；同時通過長時間懸置主被動測振動測試，確認(rèn)四個懸置在怠速工況隔振性能良好，各方向隔振率均在20 dB以上，如圖4所示；且懸置被動側(cè)未出現(xiàn)較大幅度波動或隔振失效現(xiàn)象。

2.2 發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件動平衡量制造合格性排查

圖4 動力總成四方向懸置隔振率測試結(jié)果

對使用相同曲軸、活塞連桿的發(fā)動機(jī)裝配3個不同動平衡量的雙質(zhì)量飛輪（動平衡量分別為52.32 g·mm、32.6 g·mm、130.42 g·mm），搭載同一輛車輛對怠速無負(fù)載時駕駛員座椅導(dǎo)軌進(jìn)行NVH測試，結(jié)果顯示優(yōu)化動平衡量可以改善間歇性抖動振幅，但無法消除間隙性抖動，如圖5所示。

2.3 發(fā)動機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性排查

選取6組比較典型的怠速燃燒開發(fā)數(shù)據(jù)，由圖6和表1可以看出：本文研究的車輛對應(yīng)發(fā)動機(jī)的IMEPH_COV、IMEPH_LNV、IMEPH_STD與相關(guān)競品發(fā)動機(jī)的均值差值較大，應(yīng)作為主要改善的方向來研究。

表1 怠速燃燒開發(fā)相關(guān)參數(shù)圖表

IMEPH_COV=SIMEPH/MEAN（IMEPH）：平均指示缸內(nèi)壓力循環(huán)變動率

IMEPH_STD（SIMEPH）：標(biāo)準(zhǔn)方差

IMEPH_LNV：LNV=min（IMEPH）/mean（IMEPH）

根據(jù)FTA分析的相關(guān)要素逐項進(jìn)行排查：

噴油時刻：調(diào)整噴油時刻，發(fā)動機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性無明顯變化。

表2 調(diào)整噴油時刻參數(shù)對比

空燃比：在車上與臺架上同時測量空燃比數(shù)據(jù)，怠速時空燃比穩(wěn)定在理論空燃比14.6，充氣效率學(xué)習(xí)值CLINTM穩(wěn)定在1±0.05范圍內(nèi)；空燃比及clintm滿足控制要求。

VVT角度：怠速狀態(tài)VVT角度為0，增加VVT開度為5、10度，燃燒狀況沒有改善。

圖5 不同動平衡量測試結(jié)果

圖6 怠速燃燒開發(fā)相關(guān)參數(shù)對比圖

圖7 空燃比測試圖

表3 調(diào)整VVT角度參數(shù)對比

初始?xì)忾T重疊角：減小發(fā)動機(jī)初始?xì)忾T重疊角，怠速燃燒狀態(tài)改善明顯，并且重疊角減少的幅度越大，燃燒穩(wěn)定性改善越明顯。

表4 調(diào)整初始?xì)忾T重疊角度參數(shù)對比

點(diǎn)火角：怠速點(diǎn)火角控制在2～8 deg的范圍內(nèi)波動，增加點(diǎn)火角，燃燒狀態(tài)略有改善。

表5 調(diào)整怠速點(diǎn)火角參數(shù)對比

點(diǎn)火線圈充磁時間：增加點(diǎn)火線圈充磁時間，點(diǎn)火能量變大，怠速燃燒穩(wěn)定性基本無變化，排除因點(diǎn)火能量不夠?qū)е氯紵涣嫉目赡堋?/p>

表6 調(diào)整點(diǎn)火線圈充磁時間參數(shù)對比

經(jīng)過FTA逐項排查，最終鎖定了發(fā)動機(jī)無負(fù)載怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時燃燒不穩(wěn)定是導(dǎo)致無規(guī)律間隙性抖動的主要原因，而氣門重疊角設(shè)置、點(diǎn)火提前角設(shè)置為影響怠速燃燒穩(wěn)定性的重要因素。

3 優(yōu)化方案及驗證

根據(jù)懸置設(shè)計、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件動平衡量、發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定數(shù)據(jù)調(diào)整驗證數(shù)據(jù)對比，確定優(yōu)化氣門重疊角設(shè)置、點(diǎn)火提前角設(shè)置為改善發(fā)動機(jī)怠速工況下燃燒穩(wěn)定性的主要措施。氣門重疊角分別為-5、-10、-15、-20、-25、-30，點(diǎn)火角分別為+3、+5；分別兩兩組合進(jìn)行驗證，在整車上發(fā)動機(jī)怠速無負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時3個關(guān)鍵燃燒參數(shù)對比結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7所示，相對原狀態(tài)發(fā)動機(jī)怠速氣門初始重疊角減小20°、點(diǎn)火角增加3°時，發(fā)動機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性最優(yōu)。同時在車輛駕駛員座椅導(dǎo)軌布置傳感器測量結(jié)果如圖9所示，座椅導(dǎo)軌振動X向一階振幅得到了極大的減小，同時二階幅值基本沒變化，從而使一階幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二階幅值，座椅上乘員基本感受不到間歇性抖動的存在。

表7 優(yōu)化措施驗證結(jié)果

4 結(jié)語

通過發(fā)動機(jī)臺架測試和實(shí)車試驗驗證，得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性是整車NVH性能主要影響因素，當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性差時，會使車內(nèi)乘員感受到無規(guī)律的間歇性抖動。

圖9 座椅軌道振動X向測試對比

（2）發(fā)動機(jī)平均指示缸內(nèi)壓力相關(guān)的三個參數(shù)IMEPH_COV、IMEPH_STD、IMEPH_LNV是評價發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

（3）三個參數(shù)，IMEPH_COV、IMEPH_STD 約小、IMEPH_LNV越大，發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性越好；當(dāng)前在發(fā)動機(jī)行業(yè)內(nèi)的參考值為：IMEPH_COV≤17.5、IMEPH_LNV≥75、IMEPH_STD≤0.1，接近參考值時，發(fā)動機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性基本滿足設(shè)計要求，車輛上乘員基本感受不到車輛的抖動。