汽車怠速間歇性異常抖動研究

相龍洋，顧彥，黃亞

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汽車怠速間歇性異常抖動研究

相龍洋，顧彥，黃亞

（上海汽車集團股份有限公司技術中心整車集成部，上海 201804）

汽車在怠速工況，間歇性異常抖動會嚴重影響駕乘舒適性。針對該問題，對車輛的振動特性、轉速波動和發動機內部燃燒參數進行了全面測試。基于間歇性異常抖動特征對發動機的轉速波動、進氣壓力，噴油量和點火提前角進行了詳細的對比分析。綜合利用時域分析、頻譜分析和角度域分析相結合的方法來識別異常抖動原因。研究表明，發動機內部的進氣壓力，噴油量和點火提前角控制不穩定，在一段時間內波動較大，引起發動機瞬態轉速的波動，進而引起車內的一階異常抖動的間歇性變化。建議對發動機燃燒穩定性進行優化來改善該問題。

間歇性抖動；轉速波動；進氣壓力；噴油量；點火提前角

前言

汽車行駛在城市道路時，怠速工況時間占整車運行時間的比例高達30%。且該比例隨著交通擁堵的加劇而在繼續增大。而汽車怠速工況下的振動特性對車內主觀體驗有非常明顯的影響。通常可以通過傳遞路徑和激勵源兩個角度著手來研究汽車NVH[1]。汽車是一個非常復雜的系統結構，包含多種振動噪聲激勵源，每種激勵源會通過多個路徑，傳遞到響應點，傳遞過程中會經過系統的衰減作用。由于傳遞路徑的復雜性和多樣性，為了顯著降低響應點處的振動噪聲幅值，對激勵源的優化才是最有效的辦法。如果能大大減小激勵源，那么整車的NVH性能就可以有明顯的提升。

汽車振動噪聲主要包含三部分：動力總成噪聲、輪胎噪聲和風噪聲。作為主要動力部件的發動機，提供的動力會存在周期性的波動，該波動會對整車產生激勵力。對于最常見的四缸發動機，因各缸燃燒而帶來的二階激勵是其最主要的激勵成分。因此，正常整車上最主要的振動噪聲應為連續性的二階成分。當發動機工作狀態出現異常，可能會產生異常的0.5階或1階振動，甚至其幅值還會時大時小，產生間歇性。因為其頻率相對較低，人體對低頻振動更加敏感，所以這會極大影響車內乘客的駕乘體驗[2]。

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、頻域分析和角度域分析相結合的方法[3]-[5]，首先對整車怠速異常抖動現象進行診斷分析，同時分析發動機的曲軸瞬態轉速波動。然后針對影響發動機燃燒性能的進氣壓力，噴油量和點火提前角分別進行研究，通過抖動明顯工況和抖動不明顯工況的對比，明確燃燒控制參數的差異性，為后續優化設計提供指導方向。

1 怠速異常抖動特征分析

首先對整車怠速振動特征進行試驗分析，采用振動加速度傳感器測試車內座椅導軌處的振動，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。此外，由于發動機的輸出轉速在很大程度上反映發動機的燃燒性能，所以在試驗中同時測試了發動機曲軸的瞬時轉速，據此來判斷發動機燃燒是否穩定。

試驗過程中，為了測試正常怠速工況，首先要熱車，監測發動機水溫達到90度以上。其次檢查冷卻風扇狀態，確認風扇不開啟，以便排除風扇振動的影響。然后基于專業數據采集系統和采集軟件進行振動測試，對怠速工況的振動信號進行采集。為了反映整車在一段時間內的怠速穩態振動水平，測試時長為30min。測試人員坐在車內，采集客觀數據的同時進行主觀評價。

圖1 車內座椅振動測點

1.1 車內座椅抖動特征

圖2 座椅振動頻譜對比

測試人員主觀評價過程中，感受到車內低頻振動波動較大，在不同時間段，振動有明顯區別，時而明顯，時而不明顯。即存在低頻間歇性抖動。分別截取車內座椅處抖動明顯和不明顯的時間段數據進行頻譜分析[6]，如圖2所示。

被測車輛的怠速轉速為680 r/min，可計算得到其轉動基頻為11.3 Hz。由圖2可知，不同時間段內，發動機1階振動波動較大，抖動明顯時1階振動幅值是抖動不明顯時的1.5倍。與此可知，車內乘客感受到的間歇性抖動主要由1階振動的波動而引起。

1.2 發動機轉速波動

針對圖2中車內抖動明顯和不明顯的時間段，提取同步采集的發動機曲軸瞬態轉速信號，并通過頻譜分析來表征其波動特征。如圖3所示。

由圖3可知，車內抖動不明顯時，發動機1階轉速波動較小；而車內抖動明顯時，發動機1階轉速波動較大，是抖動不明顯時1階轉速波動的2.25倍。

圖3 發動機瞬時轉速波動對比

根據以上分析可知，車內乘客感受到的間歇性抖動是由于發動機1階轉速波動不穩定引起的。所以需要重點分析發動機的燃燒穩定性。

在整車振動和發動機轉速波動的測試過程中，同步測試了發動機的進氣壓力和四缸點火信號，同時結合CAN信號，可以對決定發動機燃燒性能的進氣，噴油和點火特性分別進行深入分析。

2 發動機進氣壓力和噴油量波動分析

上一節分析表明，車內1階振動不穩定，在一段時間內波動較大。因此將試驗采集的30min內，座椅振動的一階信號提取出來。同時對比發動機的進氣壓力信號進行分析，如圖4所示。

圖4 發動機進氣壓力與車內1階振動對比

圖4表明，在采集的約30min內，車內座椅1階振動和發動機進氣壓力信號均不穩定，存在明顯的波動。值得注意的是，車內1階振動幅值隨進氣壓力的增大而增大，隨進氣壓力的減小而減小。在進氣壓力分別出現峰值和谷值的時刻，車內1階振動也分別出現相應的峰值和谷值，說明進氣壓力的波動對車內1階間歇性抖動有明顯關聯。

進氣壓力的變化一般會隨之引起噴油量的變化。針對圖2中車內抖動明顯和不明顯時間段，提取基于整車CAN信號同步采集的發動機噴油量信號，時間長度為20s，如圖5所示。根據圖5計算平均噴油量。抖動不明顯的時間段平均噴油量為0.6L/h，而抖動明顯的時間段平均噴油量為0.65L/h，比抖動不明顯時增大了8%。同時也說明了噴油控制不穩定，存在波動。

圖5 抖動明顯和不明顯時噴油量對比

3 點火提前角波動分析

點火提前角是影響發動機燃燒性能的另一重要參數。針對圖2中車內抖動明顯和不明顯時間段，提取出同步采集的發動機四個缸的點火控制電壓信號。基于曲軸信號盤的缺齒信號，可以將點火控制電壓轉換到角度域。四缸發動機每個循環兩轉720度，以第一缸上止點為零度原點。每個循環中依次有四個缸的點火控制信號。根據各缸的點火電壓與其上止點之間的角度即可計算出點火提前角。

首先對比抖動明顯和抖動不明顯的兩個時間段內的點火信號，如圖6所示。很明顯，抖動明顯的工況與抖動不明顯的工況對比，點火時刻有明顯推遲，也就是點火提前角明顯減小。說明這兩個工況發動機的點火控制有明顯差異。

圖6 抖動明顯和不明顯時點火信號對比

針對抖動明顯和不明顯的兩個工況，分別統計20s內同一缸的點火提前角，如圖7所示。可以發現，抖動明顯的工況，點火提前角更分散，波動量明顯偏大。四缸點火提前角的平均值和波動方差如表1所示。

表1表明，抖動明顯的工況，點火提前角均值更小。波動方差更大，是抖動不明顯工況的3倍，說明發動機點火提前角控制不穩定，對整車的間歇性抖動貢獻明顯。

圖7 抖動明顯和不明顯一缸點火提前角對比

表1 抖動明顯和不明顯四缸點火提前角統計

4 結論

整車出現一階間歇性異常抖動，是由發動機控制不穩定引起的。在一段時間內，發動機的進氣壓力波動較大，噴油量不穩定以及點火提前角的波動較大，會導致其燃燒性能不穩定。進而使發動機輸出轉速波動增大，對整車產生不穩定的激勵。在一段時間內發動機激勵的波動變化，便會引起車內的間歇性抖動，嚴重影響主觀感受。建議優化發動機的燃燒穩定性，以此來改善間歇性抖動的問題。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[2] 相龍洋,顧彥.汽車怠速異常抖動分析及診斷[J].汽車實用技術, 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.基于試驗的汽車手動變速器噪聲源識別[J].振動,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股份有限公司技術中心，主要研究汽車振動與噪聲控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.043