轉速相關與車速相關的兩類汽車振動分析應用

俞俊兆 譚繼錦

摘? 要：文章對引起汽車異常振動的原因進行了研究，將引起汽車振動的原因歸為與轉速或與車速相關兩類，總結出汽車異常振動測試與分析流程。以某型汽車行駛時產生的異常振動問題為例開展道路試驗，結合模態試驗和車輪偏頻試驗，確定試驗車輛的異常振動是由于車輪的轉動頻率與車輪總成偏頻同頻導致，同時車架進一步放大了振動。針對引起該車輛異常振動的原因提出改進意見，減弱了車輛的異常振動。

關鍵詞：異常振動;轉速;車速;道路試驗

中圖分類號：U467.1+1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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，振動性能分析顯得尤為重要。造成汽車振動的原因主要有發動機、傳動部件以及路面激勵等。在行駛過程中，如果傳動軸和輪胎等高速旋轉部件出現異常，就會產生周期性的離心力，導致異常振動。當這些振動傳遞到車架或車身上時，一旦發生激勵頻率與車身固有頻率相近甚至相同，就會產生較大的振幅，甚至造成明顯的異常振動。

引起汽車振動的外部原因有多種，汽車振動不可避免，但產生異常或過大振幅振動是汽車產品必須避開的基本要求。測試與分析產生異常振動原因的方法有多種，但可以將其簡單歸為兩類：一類是與發動機轉速相關，即由發動機激勵引起，與車身或其他部件發生共振;另一類是與車速相關，即由車輪等旋轉部件引起，與車身等部件產生同頻。基于這一原理，通過獲取車身與發動機懸置等部位少量的測點動態信息，就可以分析查找引起汽車振動的原因及傳遞路徑。

以某型汽車行駛時產生的異常振動問題為應用實例，根據汽車振動故障排除流程，結合道路試驗與兩類汽車振動原理分析，明確引起異常振動的原因，為解決類似汽車振動問題提供了分析方案。

1? ? 汽車振動激勵源分析

1.1? ?路面激勵

由于路面不平整引起的整車振動，是汽車外部激勵振動的最基本輸入，由此對乘客與所裝載貨物產生的影響，一般用汽車平順性指標加以評價。路面激勵會使汽車產生垂向與縱向等隨機振動，這些振動經車輪與懸架等傳遞至車身，不僅影響行駛平順性和操縱穩定性，還會影響到車輛的使用壽命[1]。

1.2? ?發動機與傳動軸激勵

發動機是引起汽車振動的主要激勵源，包括氣缸的燃氣壓力和曲柄連桿機構產生的慣性力等，產生的振動屬于周期性振動。發動機正常工作時，氣缸燃氣壓力推動曲柄連桿機構活塞往復運動，經過連桿使得曲軸作旋轉運動。

活塞受到的作用力包括氣體力和往復慣性力，作用于活塞中心，通過連桿傳到連桿軸頸，產生垂直曲柄的切向力和沿著曲柄的徑向力，引起扭轉振動。由于連桿作平面復合運動，慣性力分析較復雜。一般將連桿的質量換算成兩個集中質量，一部分集中于連桿小頭，與活塞一起做往復運動;另一部分集中于連桿大頭，與曲柄一起做旋轉運動[2]。對于四沖程發動機，活塞每上下一次，曲軸完成旋轉一圈。因此，完成4個沖程，曲軸需要旋轉兩圈。每一個單缸發動機，曲軸每轉2圈，完成一次燃燒，點火階次是0.5階次。所以對于多缸發動機，其激勵頻率f（Hz）可由如下公式計算：

發動機轉軸動力經過變速箱傳遞到傳動軸，如果傳動軸不平衡則會產生不平衡力。傳動軸不平衡可能是加工精度問題，或者是使用過程產生的幾何形變、擰緊零部件松動脫落等原因，破環了傳動軸原來的動平衡條件，使得傳動軸質心與旋轉軸線不重合。傳動軸激勵頻率為：

雖然發動機轉速與汽車行駛速度之間存在關聯（式3），但轉速與車速引起的振動原因卻不相同，這是分析汽車振動時要注意的問題。

1.3? ?車輪激勵

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

車輪的不平衡質量在車輪平面內旋轉會產生離心力，導致徑向與縱向的激振力，使輪胎徑向跳動，如果不平衡質量不在輪胎的縱向對稱中心平面上，還會產生周期性變化的翻轉力矩和回正力矩，引起車輪擺振，影響汽車的操穩性與行駛安全性。車輪激振頻率為：

另外，車輪激勵頻率與傳動軸激勵頻率存在式（5）關系：

上述與車速及轉速相關的激勵頻率公式是分析判斷引起汽車振動原因的基本原理。

2? ? 異常振動診斷方法

為解決汽車出現的異常振動問題，需要根據車輛運行時的振動現象，結合道路試驗測試若干個關鍵點的振動特征信息，借助故障診斷流程與分析方法，查找車身等部件上的振動響應的頻率組成，按與車速相關還是轉速相關進行分類，明確引起振動的激勵源，相應采取有針對性的整改措施。

汽車故障分析方法包括傳統經驗法、故障樹法、信號處理小波分析法等[4]。通過動態測試，利用加速度傳感器得出汽車相關部件測點的振動信號頻譜信息來診斷汽車異常振動，已經成為汽車故障診斷中的主流方法。兩類異常振動測試與分析流程如圖1所示：

3? ? 某型皮卡異常振動分析

3.1? ?道路測試

由根據企業反饋以及摸底試車情況，某型皮卡車在車速90-120km/h范圍內，車輛出現異常振動，影響汽車舒適性和可靠性。為了查找引起異常振動的原因，進行整車道路行駛試驗，測試各個速度段的車輛振動信號，分析不同車速下車身等部件的振動響應情況，明確異常振動的原因[5]。

被測車輛的發動機為四缸四沖程發動機，輪胎型號為265/65R17，滾動半徑為0.38m，變速器速比四檔為1.000，五檔為0.857，主減比為4.875。

按照上述振動分析方法，采用便攜式四通道動態測試儀，選用4只單向加速度傳感器，各測點具體布置位置如表1所示，4個測點振動頻譜信能夠反映整車的的基本動態特性。

按測試車輛分別以4檔與5檔，車速為80 km/h-120km/h在平坦路面上進行道路測試，記錄速度變化間隔為10km/h。整車道路試驗后對各測點傳感器響應進行頻譜處理分析，從各測點加速度自譜，分析各峰值所對應的頻率，并與車速激勵頻率和轉速激勵頻率進行對比，為明確異常振動激勵源提供指導。限于篇幅，僅列舉幾幅較有代表性的各測點加速度自譜圖，圖2-5為兩種檔位不同車速下的測點加速度自功率譜圖。

各測點道路試驗最大振幅峰值頻率數據及對應儀表盤轉速與車速如表2，其他振幅對應頻率未在表中列出。

3.2? ?異常振動原因分析

由于振動只在特定的車速下發生，說明振動與車速有關，分析各測點道路試驗最大振幅峰值頻率發現，峰值頻率之間存在倍數關系，因此認為振源來自發動機、車輪或者傳動軸。

按照式（1），根據儀表盤顯示的車速或發動機轉速，可以計算出近似的發動機激勵頻率。從測試數據中找出振幅較大且與近似發動機激勵頻率相近的頻率，即為發動機的實際激勵頻率，進而反算得到發動機實際轉速。再由式（3）、式（4）或（5）計算出實際車輪激勵頻率與傳動軸激勵頻率，如表3所示：

對試驗結果進一步分析發現，在試驗過程中車速不變換擋后，振動并未消失，說明與轉速無關，所以排除發動機激勵影響。測點3峰值基本集中在高頻段，主要反映發動機影響;測點1頻譜分布范圍廣，在0-120Hz頻段內均有分布，因反映測點1受多個激勵源共同作用;測點2和4的峰值在40-80Hz之間之間沒有分布，與傳動軸激勵頻率不在同一頻段，可以排除傳動軸激勵的影響。

結合各車速下車輪實際轉動頻率，發現在該頻率附近，測點2、4都出現相對較大的振幅，因此車輛異常振動的激勵源應是車輪引起。

為進一步明確振動激勵源，進行了整車偏頻試驗和車架模態試驗。測試車輛的車輪偏頻試驗為：前車輪頻率為12.25Hz，后車輪為13.63Hz。車架模態試驗結果是：車架一階扭轉頻率為21.87Hz，一階彎曲頻率為22.96Hz。

上述數據分析表明，車速為110km/h時，車輪振動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頻率倍頻接近，從車輪到懸架，再到車架，其相近頻率的振動傳遞路徑放大了振動效應，從而導致了車身內感覺到的異常振動。因此可以得出結論：特定車速下，車輪的轉動頻率與車輪總成偏頻同頻，振動傳遞至車架時被進一步放大，導致了車身內感覺明顯的異常振動。

為解決或減弱出現的異常振動，可以從車輪和車架兩方面考慮。一方面，可以通過改變車架厚度等結構優化方法使一階扭轉和一階彎曲的頻率相互錯開，同時避免與車輪激勵頻率倍頻相近;另一方面，精細調整好車輪動平衡，選擇輪胎均勻性質量高的型號輪胎。在后續補充更換優質輪胎試驗中，異常振動明顯減弱，甚至消失，充分說明了分析方法與解決方案的正確性。

3? ? 總結

本文將引起汽車振動的原因歸為了兩類，即與轉速相關和車速相關的兩類振動，概要說明了汽車振動的主要激勵源，以及分析與測試診斷兩類振動的方法，并針對某型皮卡車進行了測試與分析說明，給出了一套分析與解決汽車異常振動的快速簡單方案。

參考文獻：

[1]M. A. Keshavarz， M. Bayani and Sh. Azadi . Improving Vehicle Vibration Behavior via Structural Modification with Random Road Input[J]. SAE. TECHNICAL PAPER SERIES. 2009-01-2093.

[2]陳曦，袁文文. 基于汽車振動分析的發動機在線轉速實驗研究[J]. 自動化與儀表，2011，26（1）：6-9.

[3]（美）Thomas D. Gillespie. 車輛動力學，趙六奇等譯. 北京：清華大學出版社，2006.

[4]周長城等. 汽車振動分析與測試[M]. 北京大學出版社，2011.

[5]尹可，宋向榮，客車異常振動噪聲的分析和控制[J]. 噪聲與振動控制，2011，31（4）：102-105.