汽車怠速異常抖動分析及診斷

相龍洋，顧彥

（上海汽車集團股份有限公司技術中心整車集成部，上海 201804）

前言

汽車在市區行駛時，發動機的純怠速工況時間占整個循環工況時間的30%。且隨著交通擁堵情況的加劇，汽車怠速工況所占比重進一步增加。而汽車怠速振動特性對駕乘體驗有非常明顯的影響。在研究汽車NVH性能時，可以通過傳遞路徑和激勵源兩個方面考慮[1]。汽車作為一個復雜系統，受到多種振動噪聲源的激勵，每種激勵都可通過不同路徑，經過系統衰減，傳遞到關注的響應點。為了有效的改善響應點處的振動噪聲水平，考慮到傳遞路徑的多樣性和復雜性，對激勵源進行優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、輪胎和風激勵。動力總成中的發動機，在為發動機提供動力的同時，也產生了隨工況變化的激勵力。對于最常見的四缸發動機來說，曲軸旋轉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為二階振動。當發動機工作狀態出現異常，會隨之產生異常的0.5階或1階振動，因為其頻率相對較低，人對其更加敏感，所以這會極大影響車內乘客的駕乘體驗。

本文針對整車怠速工況出現的異常抖動問題，基于時域分析、頻域分析和階次分析相結合的方法[2]-[4]，首先對整車的怠速異常抖動現象的激勵源進行分析，然后通過與表現良好的對標車對比，研究其發動機燃燒的穩定性，進而根據燃燒特性識別出怠速異常抖動的源頭，為后續優化設計提供指導方向。

1 怠速異常抖動激勵源識別

發動機的轉動頻率計算如公式1所示[5]。

式中，n為發動機轉速，fn為發動機轉頻。

振動信號的階次計算如公式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行分析，試驗中采用振動加速度傳感器測試了座椅導軌處的振動和發動機缸體上的振動，如圖1所示。座椅上的振動代表車內振動水平，人體可以直接感受到。而發動機缸體振動代表作為激勵源的發動機振動水平。

圖1 振動測點布置

試驗過程中，首先需要熱車，使發動機水溫升到90度以上，達到正常怠速工況。檢查冷卻風扇狀態，確認是風扇不開啟的怠速工況。然后基于數據采集系統和專用采集軟件進行振動測試，對怠速工況的振動信號進行采集，每組工況采集的時間長度為60s，同時為了確保數據準確，每組工況采集三組數據。

被測車輛的怠速轉速為770 r/min，可計算得到其轉頻基頻為12.8 Hz。對人體直接感受到的座椅導軌振動數據進行時域和頻域分析，如圖2所示。由結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。因為1階為0.5階的倍頻成分，所以重點研究0.5階的異常抖動。

為了明確發動機激勵與怠速異常抖動的關系，試驗過程中通過修改標定參數，調整了發動機的怠速轉速，將其從平均700 r/min間隔20 r/min逐漸調整到平均900 r/min。分別測試各工況下的座椅和發動機振動水平。

圖2 座椅導軌振動信號

對不同怠速轉速的測試結果分析發現，車內座椅導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速而變化。此外發動機缸體的振動信號同樣存在較為突出的0.5階成分。座椅導軌和發動機缸體的0.5階振動幅值隨怠速轉速變化如圖3所示。

由圖3可知，座椅導軌的0.5階異常抖動幅值隨發動機缸體的0.5階振動幅值而變化。計算此兩組數據的相干系數為0.97，說明此兩組信號強相關。由此可證明整車怠速工況的0.5階異常抖動是由發動機的0.5階激勵引起的。

圖3 發動機和座椅0.5階振動隨怠速轉速變化

2 發動機燃燒穩定性分析

由以上分析可知，發動機的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，發動機的燃燒噪聲與缸內燃燒壓力變化率相關，如公式3所示[1]。

式中，I為燃燒噪聲聲強，pmax為缸內壓力最大值為缸內壓力升高率的最大值。

圖4 發動機缸壓測試

上式表明發動機的振動噪聲與其內部的燃燒特性密切相關。為了分析發動機的燃燒穩定性，測試了問題車輛的發動機和表現良好的對標發動機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動機原火花塞，在整車正常運行的怠速工況，通過數據采集系統測試發動機四個缸內的壓力變化，測試方法如圖4所示。

測試完成后對缸壓數據進行深入分析。發動機各缸燃燒的每個循環中，缸內壓力變化如圖5所示。評價方法如下：當第2個峰值遠大于第1個峰值或與第1個峰值相當時，為正常燃燒，當第2個峰值遠小于第1個峰值時，屬于燃燒不充分現象，為不正常燃燒循環。

圖5 發動機燃燒一個循環瞬時缸壓變化

分析缸壓數據過程中，統計了150個燃燒循環中有異常抖動的車輛和沒有異常抖動的正常車輛發動機各缸缸壓的第1,2個峰值分布。通過對每個循環中的第1,2個峰值對比，計算其正常燃燒率來評價各缸的燃燒穩定性，結果如圖6所示。

圖6 有無異常抖動的發動機燃燒穩定性

由試驗結果可知，怠速工況下，有0.5階異常抖動問題的車輛發動機燃燒穩定性較差，尤其是第三缸燃燒不充分的現象嚴重，正常燃燒率僅為30%左右。而沒有異常抖動的正常車輛的發動機燃燒很穩定，各缸正常燃燒率幾乎為100%。據此推斷發動機的燃燒穩定性差是0.5階異常抖動的原因。

3 怠速異常抖動原因診斷

為了驗證發動機的燃燒穩定性與0.5階異常抖動的關系，又進一步根據試驗進行了深入分析，將整車座椅導軌的振動信號與發動機四個缸的缸壓信號進行時域同步性分析，結果如圖7所示。

分析可知，當座椅導軌的振動出現0.5階峰值時，均對應發動機第三缸活塞位于上止點附近，也就是第三缸燃燒的時刻。而上一節的分析表明第三缸燃燒穩定性較差，燃燒不充分。由此可確認，整車的0.5階異常抖動是由于發動機第三缸燃燒不充分引起的。

圖7 座椅振動與發動機缸壓關系

因此為了改善0.5階異常抖動，應該檢查發動機第三缸的燃燒特性，對其進行標定或結構優化[6]，使其燃燒穩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 結論

整車出現0.5階異常抖動，且抖動頻率隨發動機怠速轉速而變化，說明異常抖動由發動機激勵引起。對比問題車輛與正常車輛發動機的燃燒特性，問題車輛的發動機燃燒穩定性差，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域同步性分析，確認第三缸燃燒不充分是整車0.5階異常抖動的原因。建議通過標定或結構優化來改善該問題。