汽車發動機自動啟動過程振動分析及控制

龔亮

摘要：車輛實際行駛期間，自動啟動較為關鍵，把握好啟動期間的振動往往屬于較為重要的一部分控制分析內容，需得到廣大研究者及技術員們的關注、重視。結合實際案例，做好周密分析及探討，以確保汽車內發動機在自動啟動時振動能夠得到高效化把控，為車輛行駛期間的可靠性、穩定性及安全性助力，也確保發動機整體功能得到發揮。本文主要圍繞著汽車內發動機在自動啟動時振動和控制開展深入研究及探討。本次課題研究運用到各種學科方法、基礎理論及成果，期望可以為后續更多技術專家和學者對此類課題的實踐研究提供有價值的指導或者參考。

關鍵詞：發動機;汽車;自動啟動;振動;控制

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0042-02

0? 引言

伴隨汽車業日益迅猛化發展，人們對車輛各項性能層面要逐步提升，更為關注汽車內部發動機相關問題。在一定程度上，汽車內部發動機實際啟動期間，便會有振動及其噪聲產生，對汽車整體行駛安全及質量影響極大。若不能夠更好地分析、把控該汽車內發動機在自動啟動時振動和控制實施措施，將各方案設定好，則必然會威脅著車輛行駛期間的安全性、經濟性、可靠性等等。故而，總結分析汽車內發動機在自動啟動時振動和控制，對于更好地把控汽車內部發動機的啟停全過程，現實意義較為突出。

1? 發動機概述

城市道路上面汽車行駛期間，通常會頻繁遇到道路交通的信號燈，以至于停車怠速，在等待期間停車怠速，往往會產生燃油消耗。伴隨油耗法規日益嚴格化、客戶愈加關注汽車燃油整體經濟性，以至于傳動的汽油車逐步選定自動啟動該系統，經實踐研究了解到，自動啟動汽車系統之下，燃油實際消耗量可節省3%，車輛內部振動和噪聲均得以改善，發動機實際啟動及停機期間，噪聲及振動均會產生，最為突出的便是啟動期間振動。故啟停期間對于振動噪聲層面的把控，較為關鍵。啟動發動機過程，有著廣泛化激勵范圍。動力總成實際運行期間所產生激勵力會經懸置元件逐步傳遞至車身，促使車身產生振動，對車輛內部舒適度影響相對較大。由有著隔振、減振等功能特性橡膠懸置、動力總成所構成六自由度的彈簧質量綜合系統，它的共振頻率一般會設于不常用車輛發動機的轉速區間，也就是發動機處于怠速轉速情況之下[1]。但此發動機實際啟動期間難以避免經過該共振帶，故發動機會受自動的啟停系統運行所影響，共振會頻繁發生。啟動發動機這一過程，屬于起動機不斷帶動著曲軸實現旋轉，待達到所設轉速及其余點火條件情況下，發動機會點火燃燒，并且，一直到系統恢復到正常的運行狀態。啟動期間，車輛全身處于靜止狀態，發動機會極大地影響著車輛內部噪聲及其振動。振動源，即為起動機，其至車身的振動傳遞路徑為：起動機經飛輪持續帶動著曲軸而旋轉，該曲軸旋轉會帶動著活塞連桿實現往復的直線運行，此時動力總成會有缺乏平衡性慣力和力矩產生，經動力總成所在懸置系統逐步傳遞至車身位置;同時，曲軸旋轉，還可經變速裝置及變矩裝置逐步傳遞至傳動軸，而軸系振動便經懸掛系統逐步傳遞至車身。

2? 振動原因及其有效控制

2.1 振動原因

從以往實操經驗可總結出振動原因，即為點火、機械這兩個層面。以牛頓定律為基礎，處于特定功率條件之下，越低轉速，力要求則越大。啟動瞬間，為從零至怠速過程，自身就有著極高力要求，氣缸必然遭到撞擊，轉速很難穩定，各方向會有沖擊產生，以至于產生振動。①在機械層面。機腳墊，其屬于緩沖橡膠的一種，通常放置于發動機側的下面或者車邊，另頭則固定于車架梁上面，便于對發動裝置分力能量起到緩沖吸收作用，這與減震裝置功能作用較為相似。若某個零件老化或者損壞壞，平衡則會失效，發動機明顯振動;某個缸若缸壓不足，或者是缺缸運行，則可借助缸壓表予以測量判斷及分析。點火及噴嘴層面問題有效排除后，便可知曉為缸內自身層面問題，如元件磨損或已損壞，則務必大修處理發動機;②在共振層面問題，啟動電機實際旋轉頻率，其接近于發動機內某個元件的振動頻率，以至于自動啟動期間會有十分明顯的振動現象產生，這可能與軸承、碳刷皮帶等均有著關聯性，需予以準確判斷分析，實施針對性的維修處理;如空調開著時振動，則屬于發動機自身功率還不夠拉低其怠速，并非屬于共振層面問題;若為新車，則可能因自動啟動操作的不夠規范或者妥當所致，磨合期的阻力大促使怠速不足;離合及油門分離操作期間，務必緩慢松開蓋離合，之后再輕微給油;③在點火層面問題。主要包含著火花塞漏火或燒蝕，火花塞的間隙未得以有效調整等。在一定程度上，火花塞，其屬于易損件，在使用到限定公里數，均需予以及時更換處理，某個缸若火花塞潛在著問題現象，則缸燃燒期間缸線接觸不良或者是高壓會過于高、高壓擊穿或絕緣不等，均會間接性促使火花塞的調火呈不良狀態，甚至會發生斷火，傳感器極易受損，對汽車整個發動機的運行安全影響極大。

2.2 有效控制

汽車啟動期間，車內的振動水平通常是由駕駛員的座椅導軌位置與方向盤振加速實施評價分析，以振動劑量及峰峰值為基本評定指標。結合特定規范選定峰峰值當成是評定指標。本次研究對象為某汽車內橫置三缸式發動機，對發動機實際啟動期間轉速變化與振動關系，實現對分析汽車內發動機在自動啟動時振動和控制有效分析。

2.2.1 在測試分析層面

①在測定裝置層面。此次測定操作，在車輛方向盤所在12點鐘處及駕駛員的座椅導軌前方外側均設三向加速傳感裝置一個，自58X傳感裝置實施發動機的轉速信號有效采集，自動啟停及鑰匙啟停不同工況之下，實施10組測定。測定數據經Wk的振動計權處理后，選定10次測定峰峰均值為此次測定最終結果[2]。此次測定數據表明了，車輛啟動期間，座椅導軌自身受較小振動干擾，X向呈較大振動加速狀態，故本文選定座椅導軌自身X向的振動加速為基本目標，對車輛啟動期間車內振動實施細致分析。

②在測定結果層面。該汽車自動啟動情況下，發動機所在座椅實際振動頻率分布為2-4Hz、8-14Hz;正常啟動情況下，發動機所在座椅實際振動頻率分布為8-11Hz。分析此次測定數據信息可了解到，自動重啟和正常啟動情況下，座椅振動的峰值頻率均接近于10Hz。那么，通過對該車輛動力總成的剛體模態分析后可了解到，啟動該發動機期間測定所得座椅振動的頻率和動力總成的懸置系統所固有頻率相接近。故啟動發動機期間會有動力總成共振產生，傳遞至車內有著較大振動。為對啟動期間車內振動產生原因實施細致分析，對啟動發動機期間轉速波動實際情況實施有效測試。結合轉速，能夠看出啟動發動機過程內含兩個不同階段，即啟動與點火。啟動階段上，發動機的缸內未點火燃燒，起動機會帶動著曲軸旋轉，待點火條件達到后，便進入到點火階段，則發動機急劇轉速裝上升，而后，穩定運行。發動機于320-450r/min轉速區間內波動，曲軸于5.3-7.5Hz基頻旋轉。因車輛第五階情況下，整車剛體的模態頻率為此頻段之內，此階段極易激發出整車模態，增加車內側傾振動，不會有X向大抖動產生，故并非主要振動源[3];啟動階段，該發動機產生較大轉速波動。而這轉速波動主要源自傳動軸自身反作用力，受轉速波動影響，傳動軸與曲軸扭振均會經懸架逐步傳遞至車身位置。此發動機的轉速波動頻率是f=1/Δt=10Hz，接近于動力總成的懸置系統二階和三階原本頻率，這一情況下，動力總成與傳動系統極易有共振產生。觀察振型后了解到，此兩階模態屬于動力總成前后的橫擺動與運動兩種模態，經懸置傳遞至車內部X向力會變大，車內部X向的振動響應會逐步惡化;激勵頻率與動力總成橫擺模態實際頻率相接近情況下，懸置傳遞至車內部Y向力及X向力均變大，車內部Y向力及X向力的振動響應均會惡化。座椅振動響應在此頻段分布，故屬于車內振動根本原因所在。

2.2.2 在控制分析層面

經過試驗分析可了解到，啟動汽車期間，啟動階段極易激起動力總成的選址系統及傳動系統共振，增加車內振動。對車內振動加以改善有三種不同手段，即對接受體、振動路徑、振動源等加以把控。源頭上把控振動極具有效性，故文中三缸車輛當中一項控制方式便是將啟動階段具體時間縮短，確保系統共振的時間能夠縮短，對車內振動加以優化。為對此方法有效性實施有效驗證分析，需對車輛兩次的啟動過程實施對比分析，那么，經對比后發現這兩次啟動過程當中，點火階段無差異存在，啟動階段則存在著差異性，二次啟動把啟動階段具體時間自組0.26s逐步下降至0.21s，伴隨車內部座椅導軌振動加速，其峰峰值自1.30m/s2下降至0.96m/s2。為對此結論適用性實施有效驗證判斷，本文對比分析另外車輛兩次啟動全過程。經對比分析后了解到，啟動階段具體時間自0.33s下降至0.24s情況下，駕駛員的座椅導軌X向實際振動加速峰峰值會自1.63m/s2逐步下降至1.36m/s2。從中便可知曉，啟動過程具體時間縮短后，可確保啟動期間車內振動響應得以下降。但該時間段內會受點火基本條件限制，無限縮短無法實現。故若想將啟動期間車內振動縮小，務必要優化傳動系統。可在開發之前，對整車剛體的模態頻率、動力總成的剛體頻率、傳動軸系原本頻率等癥實施重新分配，將共振避開，將傳動系統和動力總成降低，經懸置和懸架傳遞至車身激勵力，對啟動期間車內的振動響應起到良好改善作用。

3? 結語

可以說，汽車自動啟停系統功能，促使燃油消耗得以減少，且停止后車輛內部振動噪聲也得以降低，但啟停過程會有振動噪聲層面問題存在，特別是啟動期間車內部振動。此次研圍繞著某車輛啟動期間駕駛員的座椅導軌所產生振動實施，對發動機實際轉速變化與座椅導軌的振動之間關聯性，經分析后發現此震動源自發動機在點火前期啟動階段，因傳動系統扭振頻率和總量總成的懸置系統橫擺模態及前后的模態頻率相接近，發動機與傳動系統所產生共振，其能夠增強動力總成者者者經懸置傳遞至車輛內部激勵力，對車內振動起到惡化作用。結合此次測定分析結果可了解到，此車輛所提出啟動階段具體時間有效縮短處理措施，經試驗可證明時間被縮短后，車型不同座椅導軌實際振動可下降15-30%。如果想對啟動過程車輛內部振動實施有效改善處理，則開發前期，務必對整車剛體的模態頻率、動力總成的剛體頻率、傳動軸系原本頻率等癥實施重新分配，將共振避開，確保懸架系統和懸置系統所傳遞振動力得以降低，對車輛內部NVH性能加以優化。

從總體上來說，自動啟停技術的應用，有效節省了汽車怠速工況的燃油消耗。為確保發動機在自動啟動與停機過程中，車內的振動與聲學性能能夠滿足客戶要求，文章通過測試和分析某款三缸橫置發動機啟動過程中車內座椅的振動，通過縮短發動機啟動時間，有效降低了啟動過程中車內座椅的振動;文章最后提出了進一步改善啟動過程中車內座椅振動的思路，為汽車發動機啟動過程中的振動控制提供參考。

參考文獻：

[1]王博，張振東，于海生，等.發動機起動引起的混合動力汽車振動分析與控制[J].汽車工程，2019，41（002）：189-190.

[2]李政清，孫文福，路勇.基于振動分析的汽車發動機轉速在線測量系統[J].儀表技術與傳感器，2019，33（006）：599-602.

[3]桂鵬程，尹良杰，戴冬華，等.混合動力汽車起動發動機過程變速箱控制研究[J].汽車零部件，2019，28（019）：167-168.