汽車間歇性抖動機理及評價方法討論

王金立

汽車間歇性抖動機理及評價方法討論

王金立

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

文章討論了車輛出現間歇性抖動現象、命名，間歇性抖動表現的頻率是動力總成懸置懸置的剛體模態頻率，而不是轉速的半階次或燃燒的半階次。分析了間歇性抖動的機理、主要的傳遞路徑，如果發動機燃燒標定控制異常或開發過程中未關注燃燒穩定性會導致發動機出現失火現象，包括燃燒不良或多缸失火現象，這是間歇性抖動的根本原因。最后討論了對燃燒穩定性影響較大的噴油控制、進氣控制、點火控制等標定參數，給出了常用的燃燒穩定性指標及推薦限值。討論了整車間隙性抖動的評價方法，包括飛輪端角加速度、座椅振動峰值系數和振動計量值等參數。最后結合某1.5 T發動機匹配整車出現的間歇性抖動問題，調查發現該發動機噴油控制中的EOIT角度控制對燃燒影響較大，原始標定數據的燃燒穩定性參數均低于推薦限值，EOIT由上止點前65度優化為上止點前85度，燃燒穩定性參數滿足燃燒穩定性限值，異常頻段振動幅值由10 mg降低到2.5 mg，降幅達到75%，解決了車內間歇性振動問題且整車排放滿足排放法規要求。

間歇性抖動；間歇性抖動機理；燃燒穩定性；噴油截止時刻；振動計量值

引言

人體器官的固有頻率[1]通常低于20 Hz（腹部器官3 Hz～3.5 Hz、腹腔4 Hz～6 Hz、前胸7 Hz～11 Hz、肢體10 Hz～12 Hz、頭部8 Hz～12 Hz），汽車的抖動屬于低頻振動，頻率一般為5 Hz～30 Hz，因此司乘人員很容易感受到汽車的低頻振動，這不僅引起司乘人員的疲勞[2]和駕駛安全，也會引起顧客對汽車NVH品質的抱怨。

當發動機燃燒、懸架激勵或其他部件相對運動作用力直接或間接傳遞到整車，引起車身局部（轉向、座椅、后視鏡等）強烈的振動，稱為抖動。按照激勵分類，抖動分為方向盤抖動、后視鏡抖動、傳動系統抖動、車身抖動、門板抖動、懸架顛簸抖動、發動機抖動等；按照使用工況，抖動分為起步抖動[3]、行駛抖動[4]、制動抖動[5]和怠速抖動[6]等。

本文結合實際案例分析了間歇性抖動的機理和評價指標，對間歇性抖動產生原因、傳遞路徑以及評價參數三個方面進行了初步討論。

1 間歇性抖動討論

1.1 間歇性抖動命名

目前間歇性抖動沒有統一的命名，對間隙性抖動的稱謂雜多，比如異常抽動[7]、不規則抖動[8]、怠速抖動[9]、異常抖動[10]，且均判斷為發動機轉速的0.5階或燃燒的1階；李傳海稱之為間隙性抖動[11]。

國標[12]定義了間歇性振動：重復發生由于振動停頓，或振動降低到低于人體感閾和干擾閾水平，或者在間隔期振動級與（或）其特征有顯著性變化而分離的連續性振動，間歇期通常是無規律的。術語“振動”包含任何頻率的位移/力等變化，但工程中的間歇性抖動表現為動總/整車隨機出現較大的振動，該振動不是持續存在的，且在座椅等異常振動處表現為低頻，因此稱之為間歇性抖動比較符合工程實際。

如圖1，某整車在130 s暖機過程座椅振動數據，共計出現了6次較為明顯的抖動，前四次振動幅值超出了0.01的限值，有明顯的振動，且每次出現間隔無明顯周期規律，每次振動的方向也是隨機出現，以向和向出現概率較多。

圖1 某整車座椅振動數據

暖機轉速1 230 rpm，發火頻率41 Hz，座椅抖動頻率為9 Hz～12 Hz，見圖2，該頻率既不是發動機轉速的1階也不是燃燒的半階，而是動力總成向和向剛性模態頻率，見表1，也即感受到的抖動是動總剛性模態出現引起的整車振動。

圖2 某整車座椅振動頻譜分析

1.2 間隙性抖動原因

發動機激勵包括：（1）往復質量慣性力和力矩，1階質量力相互抵消，只有2階質量力成分相互疊加；考慮實際制造偏差，各缸往復質量偏差控制在3或5以內，質量制造偏差影響不到1%；（2）離心質量慣性力及其離心慣性力矩，直列四缸布置曲軸通過平衡塊可做到平衡；（3）傾覆力矩，既有往復質量力的影響，也有燃燒爆發壓力的影響，其中燃燒壓力是主要的影響因素。

表1 橫置動力總成剛性模態分布

模態 XYZRxRyRz 頻率/Hz9.457 76.149 57.939 314.578 910.380 513.119 6

如果各缸循環燃燒的壓力一致性較好，則由燃燒導致的傾覆力矩主要是2階及其諧次；如果出現1個缸或幾個缸燃燒異常，則傾覆力矩成倍增加，出現了次諧量，但基本諧次為0.5階，見圖3。

圖3 典型直列四缸曲柄連桿布置

某直列四缸機怠速轉速750 rpm，燃燒角度大約20 CA，燃燒時長4.44 ms，如果某一個或幾個缸出現失火等燃燒異常情況，對橫置動總而言是一種典型的沖擊[13]，失火時主要激勵為橫向力矩和向合力，即向和向激勵，因此間隙性抖動的主要頻率為向和向的剛體模態頻率，如果懸置系統解耦不良，也會激起動總其他方向的剛體模態。

1.3 間歇性抖動機理

圖4為間隙性抖動產生機理及應對措施，包括激勵、傳遞路徑和響應。激勵主要控制發動機燃燒，保證燃燒穩定性，具體標定措施主要有：（1）噴油控制：燃油壓力、噴油開始時刻、噴油脈寬、噴油截止時刻、噴油器布置、噴空選型等；（2）進氣控制：進氣溫度壓力、氣門重疊角、掃氣模式、凸輪型線、VVT標定等，其中氣門重疊角涉及到VVT標定和凸輪相位匹配；（3）點火控制：點火提前角、點火能量、火花塞間隙、火花塞布置等。路徑方面主要是動總懸置，控制措施包括調整懸置安裝點、安裝角度和懸置的剛度阻尼匹配，使懸置系統達到一定的解耦和隔振水平[14]；同時要考慮與動總剛性直連的空調管路、燃油管路和傳動軸等部件振動傳遞。車身及座椅響應控制主要是各鈑金部件模態避頻處理以及重要安裝原點動剛度控制[15]。

要解決由于燃燒不穩定引起的間歇性抖動，必須優化燃燒標定，使燃燒穩定性達到一定的限值，需同時兼顧動力經濟和排放。

圖4 間隙性抖動產生機理及控制

2 間歇性抖動評價

2.1 燃燒穩定性指標

標定時一般采使用作為發動機性能參數之一，見式（1），V為氣缸工作容積。

為評價發動機燃燒穩定性，需要對個循環的進行統計分析，統計量包括、和三個指標，也有對失火率控制。

一個模型是否有效，必須通過一定的方法進行檢驗。在實際應用中，通常采用殘差檢驗、相關度檢驗和后驗差檢驗等方法進行檢驗。本文采用后驗差檢驗對模型精度進行檢驗。

為谷值系數，最小值與平均值得比，單位為%，見式（2）；如果是負值，表示至少出現了一次失火。為循環波動率，方差與平均值的比，單位為%，見式（3）；為各缸各循環的波動性。表示標準差，單位bar，見式（4），表征了個循環的燃燒一致性程度。

汽油動力總成在冷啟動、催化起燃階段極易出現燃燒惡化，因此該工況也是需要重點考察。對于汽油發動機，燃燒穩定性一般要求：≥0 bar，≤0.1 bar，≧70%，≤10%。

2.2 振動指標

發動機燃燒不穩定時，必然會引起轉速出現異常波動，尤其是飛輪端角加速度，正常怠速時發動機飛輪端角速度不超過400 rad/s2rms。

3 工程案例

某橫置汽油機在催化起燃階段，存在明顯的失火，原標定的EOIT為上止點前65度，調整EOIT參數可有效改善起燃階段燃燒穩定性，臺架確定了EOIT最優值為上止點前85度。

調整EOIT參數，發動機四缸的值由原始的45%降低到12%，達到正常怠速燃燒穩定性水平；較原標定數據有改善但還是存在負值，即至少出現了一次失火；由原標定的0.75 bar降低到0.2 bar左右，改善較為明顯，見圖5。

圖5 EOIT調整的燃燒穩定性指標對比

圖6 IMEP-Cycle數據

優化EOIT后，四缸缸壓基本正常，400個循環內出現了1～2個循環失火，但沒有出現多缸同時失火的現象，改善了催化器起燃階段的燃燒穩定性，見圖7。

圖7 缸壓－曲軸轉角曲線

3.1 優化方案對整車燃燒穩定性的驗證

通過臺架驗證，最終優化方案采用，并將該數據刷寫到整車，測試優化前后整車邊界下發動機的燃燒穩定性。

整車狀態下，完成了1 600個以上循環的缸壓數據，包括冷機起動、催化器起燃和正常怠速等三個階段。

實施方案后，四缸的燃燒穩定性指標明顯改善，但沒有達到正常怠速階段的燃燒狀態。整車狀態下與臺架狀態的燃燒穩定性指標趨勢一致，各指標幅值、降低量與臺架測試數據有一定差別，見圖8。

圖8 EOIT調整的燃燒穩定性指標對比

優化前，催化器起燃階段各缸的出現了較為明顯的負值，即有明顯的失火；優化后，各缸的基本沒有負值，發動機的燃燒有較為明顯的改善；催化器起燃階段到正常怠速，沒有出現失火現象，見圖9。

圖9 EOIT調整的IMEP-Cycle對比

3.2 優化方案對間歇性抖動的驗證

優化二次噴射截止時刻，催化器起燃階段的座椅振動幅值及波形與正常怠速階段基本一致，無較大的異常抖動，見圖10。

圖10 座椅振動幅值對比（EOIT調整）

座椅向的12～16 Hz頻段的振動幅值由10 mg降低到了2.5 mg，振動幅值降低了75%，改善較為明顯，主觀感覺沒有間隙性抖動現象，見圖11。

圖11 座椅振動頻譜對比（EOIT調整）

3.3 優化方案對排放的驗證

催化器起燃階段標定優化后，完成了兩臺車輛的NEDC排放試驗，排放指標中的NOx略有降低，HC和CO升高了5%～10%左右，但均滿足工程目標且有一定的裕度，見圖12。

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圖12 NEDC排放對比（EOIT調整）

4 結論

（1）討論了間歇性抖動現象、命名；間歇性抖動表現的頻率是動力總成剛體模態頻率，而不是同仁認為的轉速的半階次或燃燒的半階次。

（2）分析了間歇性抖動的機理、傳遞路徑，對燃燒激勵的控制方面提出了明確的標定措施。給出了間歇性抖動的評價指標，包括燃燒穩定性、角加速度、座椅振動的峰值系數和振動計量值。

（3）結合具體間歇性抖動的案例，燃燒穩定性不良是引起整車間歇性抖動的根本原因，并通過針對性的標定優化提升燃燒穩定性，解決了間歇性抖動的問題。

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Discussion of the Mechanism and Evaluation Method of Automobile Intermittent Shake

WANG Jinli

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

This article discusses the phenomenon and naming of the intermittent shake of the vehicle. The frequency of the intermittent shake is the rigid body modal frequency of the power train mount, not the half-order of the speed or the half-order of the combustion. The mechanism of intermittent shake and the main transmission path are analyzed. If the engine combustion calibration control is abnormal or the combustion stability is not attended during the calibration development process, it will cause the engine to abnormal combustion, including poor combustion or multi-cylinders misfire, which is the root cause of intermittent shake. Finally, the calibration parameters such as fuel injection control, intake control, and ignition control that have a greater impact on combustion stability are discussed, and commonly used combustion stability indicators and recommended limits are given. Discussed the evaluation method of vehicle intermittent shake, including parameters such as flywheel end angular acceleration, seat vibration peak coefficient and vibration dose value. Finally, combined with the intermittent shake problem of a 1.5T engine matching a vehicle, the investigation found that the EOIT angle control in the fuel injection control of the engine has a greater impact on the combustion. The combustion stability parameters of the original calibration data are all lower than the recommended limit,optimized EOIT from 65 BDTC to 85 degrees BDTC, the combustion stability parameter meets the combustion stability limit, and the vibration amplitude of the abnormal frequency band is reduced from 10mg to 2.5mg, and the drop rate reaches 75%, which solves the intermittent shake of the car. and meet the requirements of emission regulations.

Intermittent shake;Mechanism of Intermittent shake; Combustion stability;End of injection time;Vibration dose value

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1671-7988(2022)01-55-06

U464

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1671-7988(2022)01-55-06

CLC NO.:U464

王金立，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.013