車輛啟動工況下的橫擺振動問題解析

夏罡臻，范朝兵，許早龍

（江西昌河汽車有限責任公司，江西，景德鎮 333002）

隨著經濟水平的提高和交通路況的改善，如何提高乘用車舒適性，增強市場競爭力已成為汽車企業必須面對的重大問題。振動噪聲性能是影響汽車乘坐和使用環境的重要因素，它給汽車用戶以最直接、最表面的感受。汽車的NVH性能是各大整車制造企業和零部件企業的關注點之一，作為重要的法規和競爭指標在當今產品競爭中愈發顯得重要。

車輛啟動時刻的NVH性能影響著顧客對公司產品動態品質的第一印象，其噪聲與振動的表現將成為顧客選擇產品與否的判斷之一。本文就車輛啟動時的振動問題進行探索，研究造成車輛啟動橫擺的原因，并找出主要影響因子，然后進行優化設計與測試驗證。

1 啟動橫擺形成機理

當汽車進行點火啟動時，起動機通過齒輪傳動強迫曲軸旋轉，發動機內部的主要阻力矩激勵源由氣缸內氣體壓力、運動部件慣性力和系統摩擦力三部分構成[1]。發動機低速運轉時氣體力矩是主要部分，高速運轉時慣性力矩是主要部分，所以在發動機啟動過程中，發動機的阻力矩主要貢獻成分——氣體力矩呈現較大的波動變化。

1.1 慣性力激勵分析

圖1 慣性力激勵分析

圖中：φ為連桿擺角，（°）；θ為曲軸轉角，（°）；Ω為曲軸旋轉角速度，（°）/s；x為主軸頸與活塞銷之間的距離，m；λ為曲柄半徑r與連桿長度l之比，即：

設

當λ≤ 0. 35時，

因此，一階、二階激勵力分別為：

式中：F為活塞慣性力，N；m為活塞質量，kg。

活塞的慣性力通過連桿和曲軸作用到缸體上，其方向沿著活塞的軸線并與活塞運動方向相反，慣性力正比于活塞質量和轉速ω的平方。主要的慣性力為一階和二階慣性力。

1.2 氣體壓力激勵分析

如圖2所示，氣體壓力Fp向下推動活塞，經活塞銷、連桿、曲柄銷、主軸頸傳遞給主軸承，它與向上推動氣缸蓋的力恰好大小相等、方向相反，在機體內達到平衡，且不會傳到機外。氣體壓力作用在缸體上相互平衡；作用到機體上只有轉矩xFs。作用在曲軸上的轉矩和作用在機體上的轉矩方向相反、大小相等。

圖2 氣體壓力激勵分析

圖中：Fp為氣體壓力，N；Fs為側向力，N；x為主軸頸與活塞銷之間的距離，m。

起動機與發動機內部阻力矩相互平衡的過程中產生了發動機振動，通過發動機懸置等非線性的彈性元件和阻尼元件傳遞到車身上，又通過座椅將振動傳遞到人體，同時車體的動作將給駕駛員留下對位移幅度的視覺印象。

研究在頻域上的汽車啟動時刻的振動特性，如式（1）所示[3]。

式中：Gin(f)為發動機的輸入譜矩陣；H(f)為汽車系統的傳遞函數矩陣；H(f)為其共軛矩陣；H(f)T為其轉置矩陣；Gout為振動輸出譜矩陣。

傳遞函數矩陣H(f)主要由發動機懸置和底盤懸架的系統剛度和阻尼構成。

2 啟動橫擺影響因素分析

針對該車型啟動瞬間橫向擺動幅度大的問題（以下簡稱啟動橫擺問題），從振動激勵源、傳遞路徑、響應等環節進行了研究。各個環節影響因素如圖3所示。

圖3 影響因素

本文首先對3個影響因素進行了研究：懸置優化、電噴控制策略優化和啟動拖拽轉速優化。

2.1 懸置對啟動橫擺的影響分析

該車型發動機為縱向布置，3點式懸置支持。懸置的作用除了支撐、限位外，還應滿足減振、避頻、剛體模態解耦等會更進一步影響整車NVH品質的性能要求。發動機懸置結構如圖4所示。

圖4 發動機懸置結構圖

發動機懸置的布置位置與剛度共同影響動力總成6個方向的自由模態，設計原則上要求該6個模態解耦，但實際產品中無法達到6個方向都100%解耦，通常行業內推薦85%以上解耦。

根據動力總成及懸置剛度等參數，在ADAMS中搭建動力總成仿真模型并進行模態解耦計算[2]。仿真結果顯示，發動機剛體Lateral模態與Roll模態耦合，解耦率均為50%左右，結果見表1。為改善動力總成模態解耦情況，調整左、右兩個懸置支架的安裝角度，使兩個懸置的彈性中心能更接近動力總成的主慣性軸線。優化后的發動機模態解耦結果見表2。

表1 原型車發動機模態分布情況

表2 優化后發動機模態分布情況

將優化前后的懸置裝車并進行實車NVH性能測試，結果見表3。

由于發動機剛體模態分布及解耦得到了改善，且Roll方向的剛度增加，所以對懸置安裝角度的改變能明顯地改善該車型的啟動橫擺問題。但由于安裝角度的變化導致Roll方向剛度增加，所以隔振效果會下降，橫向振動轉移至其它兩個方向，啟動橫擺得到改善，但勻速工況等振動表現不如原型車。

主觀駕駛評價結果與客觀測試方向一致，認為優化后的方案二在啟動橫擺控制方面更好，但隔振性能不如原方案。考慮到車輛日常行駛過程中的勻速及加速工況遠比啟動工況多，因此調整左、右兩個懸置支架的安裝角度的方案不可取。

2.2 電噴策略對啟動橫擺影響分析

車輛ECU模塊儲存著應對不同工況下的發動機噴油策略，策略中缸內火花塞點火時刻與噴油量的大小都對發動機產生的轉矩有著重要影響。

電噴策略對啟動工況的控制分為4個階段：拖拽、判缸、點火和判斷啟動成功與否[4]。

分別對電噴策略中的幾個影響因素進行修改，驗證其對車輛啟動橫擺的影響情況，結果見表4。

表3 懸置支架角度優化前后車內振動對比

表4 電噴策略對啟動橫擺的影響

研究結果表明，針對該車型，電噴策略中的噴油量和進氣量都對啟動橫擺問題影響較小，此外，點火時刻對啟動橫擺問題也有一定影響，所以電噴策略不屬于主要影響因素。

2.3 拖拽轉速對啟動橫擺影響分析

拖拽轉速為起動機通電情況下與發動機扭轉阻力平衡后的發動機曲軸轉動速度，起動電機的功率及發動機缸阻等參數將決定拖拽轉速的大小。

對4缸發動機點火頻率的計算公式為[5]：

式中：f為發動機點火頻率，Hz；n為發動機曲軸轉速，r/min。

通過監測電噴數據得到該車型發動機的啟動拖拽轉速為260 r/min，拖拽過程中峰值轉速為300 r/min。

根據式（2）計算得到發動機點火頻率為8.7～10 Hz，即起動機拖動曲軸轉動階段發動機對車身的輸入頻率。通過借助LMS test lab測得座椅導軌處的橫向振動加速度曲線，并對其進行FFT轉換，得到的頻域橫向加速度曲線[6]如圖5所示。由圖可知，橫向振動的主要頻率為8.8 Hz，與理論計算值相符，在7.3 Hz時存在一個次共振峰值，該車橫向擺動有7.3 Hz和8.8 Hz兩個固有頻率。

圖5 座椅導軌橫向加速度FFT圖

為研究兩個固有頻率的敏感程度，將拖拽轉速降至250 r/min，測得座椅導軌處的橫向振動加速度曲線，并對其進行FFT轉換，得到的頻域橫向加速度曲線如圖6所示。由圖可知，橫向振動的主要頻率依然為7.3 Hz和8.8 Hz，但最大振動加速度幅值降低26%。

圖6 拖拽轉速250 r/min時的座椅導軌橫向加速度FFT圖

繼續降低拖拽轉速至220 r/min，此時發動機點火頻率激勵應為7.3 Hz，測得座椅導軌處的頻域橫向加速度曲線如圖7所示，橫向振動的主要頻率仍為7.3 Hz和 8.8 Hz，最大振動加速度幅值降低40%。綜上所述，3次變更拖拽轉速試驗，可分析得出該車輛具有7.3 Hz和8.8 Hz兩個固有橫向擺動頻率，且8.8 Hz的固有屬性更為敏感。

圖7 拖拽轉速220 r/min時的座椅導軌橫向加速度FFT圖

通過改變發動機拖拽轉速，能夠有效地改善該車輛的啟動橫擺問題。當發動機拖拽轉速為260 r/min時，座椅導軌處橫向加速度最大，隨著發動機拖拽轉速的降低，座椅橫向加速度大幅減小并趨近一個穩定的幅值。

由表1可知，仿真得出的理論發動機Rol（x）模態頻率為7.6 Hz，而理論仿真未考慮橡膠阻尼，所以初步判斷7.3 Hz系統模態即為發動機繞x軸的橫擺模態。而系統中存在的另外一個8.8 Hz橫擺模態，初步判斷為整車與底盤懸架構成的Roll（x）剛體模態。通過降低發動機啟動轉速使二階氣壓力矩波動頻率降低，避開了對系統更為敏感的8.8 Hz橫擺模態，從而有效地控制了車輛啟動工況的整車橫擺幅度。

3 結論

本文以某款車型啟動橫擺問題為例，對可能造成車輛啟動橫擺的原因進行探索研究。對激勵源和傳遞路徑兩方面進行分析與試驗驗證，結果表明，改變啟動轉速與懸置安裝角度能有效改善車輛啟動橫擺問題，而調整電噴策略和懸置剛度對車輛橫擺問題影響較小。

研究表明，造成該車輛啟動橫擺的主要原因是系統存在一個較為敏感的8.8 Hz的共振頻率，而搭載的發動機，其啟動時刻的點火頻率為8.7～10 Hz時會引起該車輛橫向擺動共振。通過多次試驗驗證，將發動機啟動轉速設計在200～230 r/min區間，對車輛橫擺問題及啟動聲品質均有較大改善。