汽車總成件振動試驗方法研究

王勝，趙明芳，范學，梁鵬，章翔，張洪巖

（比亞迪汽車工業有限公司，深圳 518118）

引言

汽車在行駛時始終處于振動狀態，由于路面不平、車速和運動方向的改變，發動機工作激勵以及車輪、傳動系統不平衡質量，產生整車和局部的強烈振動。這些振動嚴重影響電子/電氣件可靠性，甚至對結構產生暫時或永久性的損壞，所以對于車輛上的大多數部件，振動試驗都是必需的驗證過程。

1 行業標準體系

為了能夠考核所有元器件，振動測試一般選擇頻帶較寬的隨機振動。目前很多汽車零部件制造企業或整機廠的標準體系中，ISO 16750-3《道路車輛 電氣和電子設備的環境條件和試驗 第3部分：機械載荷》（以下簡稱ISO 16750-3）被廣泛引用，但它適用范圍是電氣電子產品，譬如各種傳感器，控制模塊等尺寸較小，重量較輕的產品，也可以適用于這些產品的安裝支架。但對于尺寸較大，重量較重的總成，振動試驗參數參考ISO 16750-3時，試驗量級就會偏大，振動臺上樣品總成安裝點受到的最大應力可能會超過材料的屈服強度，導致試驗過考核。

因此，對于較大尺寸質量的總成結構件及系統組件，不得不重新制定振動測試方法，本文將介紹通過在試車場路譜采集的方式，分析得出這些大的總成件結構件的振動試驗方法，使企業能覆蓋從小到大，從零部件到大總成，大結構件完整的振動試驗體系。

2 振動譜制定過程

總成件結構件的振動譜是利用安裝在車輛上的加速度傳感器來采集行駛車輛的振動數據，但具體這個過程是怎樣實現的呢？ 為了了解車輛各典型部位真實振動情況，一般路譜采集的路況選取試車場壞路，試驗路況包括搓板路、石塊路、魚鱗坑路、凸起路、扭曲路、短波路等見表1。

表1 路面工況

采集產品的實車路試數據，依據產品設計壽命要求，采用損傷等效原理，通過路譜數據處理與分析得到PSD譜，最后取各車型PSD包絡線，制定適合產品的振動試驗方法，制定過程如圖1。

圖1 總成件振動試驗方法過程

2.1 路譜分析總流程

通過Ncode軟件對采集到的路譜加速度信號進行分析，分析流程如圖2。

圖2 路譜分析流程

功率譜密度（PSD）：功率譜密度是一種概率統計方法，表示隨機信號的各個頻率分量所包含的功率（或稱能量）在頻域上是如何分布的，在本文中表現為加速度譜密度。

沖擊響應譜（SRS）：在沖擊激勵函數的作用下，一系列單自由度振動系統的最大（加速度、速度、位移）響應值隨系統的固有頻率而變化的圖譜。我們可以將其看作是一系列固有頻率不同的，具有相同阻尼的單自由度系統受到同一沖擊激勵響應的總結果。

疲勞損傷譜（FDS）：在沖擊激勵函數的作用下通過雨流計數法計算得到的疲勞損傷隨一系列固有頻率而變化的圖譜。

極值響應譜（ERS）：在沖擊激勵函數的作用下，最大加速度響應值隨一系列固有頻率而變化的圖譜（與沖擊響應譜類似）。

2.2 數據校核及篩選

根據試車場各種路況上對應的不同車速選擇一圈比較好的數據用來分析處理，例如選擇車速與路試標準要求的車速較接近的一段數據。

校核選出來的數據還應該要進行頻域與幅值校核，確定和去除與路況不相符的異常數據，比如特定的路況，其頻率幅值具有一定的特征，即使不同位置的傳感器，其頻譜特征也比較一致。

2.3 時域數據處理

主要處理過程包括重采樣（采樣頻率一般為試驗最高頻率的10倍以上），去毛刺（去掉突變信號干擾產生的尖銳的、極大幅值的數據），濾波（過濾試驗頻率帶寬外的低頻和高頻信號）等過程。

圖3 頻域校核

2.4 SRS模塊

通過SRS模塊，將處理后的一圈時域信號數據分析得到沖擊響應譜（SRS）和疲勞損傷譜（FDS）。

2.5 試驗壓縮

根據疲勞損傷等效原理，創建試驗計劃，將試驗周期按照對應的等效設計里程進行壓縮，壓縮成臺架上各方向的振動時間，通過Test Synthesis得到PSD譜。

2.6 ERS模塊

壓縮后得到的PSD經過ERS模塊得到ERS（極值響應譜），一般取1.5倍安全系數，將得到的ERS譜與SRS譜進行對比，若SRS≥ERS，則PSD有效，即為目標PSD譜。如圖5所示，SRS譜整體大于ERS譜，得到的PSD譜有效。

圖5 SRS&ERS對比校核

2.7 取包絡

通過以上步驟，分析得出各采集點的PSD譜，并取各車型包絡即為試驗譜。

圖4 時域數據處理

3 電動總成的振動試驗方法

隨著汽車電動化化趨勢越來越明顯，電機驅動總成成為汽車特殊而關鍵的產品，其集成化越來越高，包括電機、變速箱、電控等，下面就介紹如何通過路譜分析制定該產品的振動試驗方法。

3.1 確定采集位置

通過樣車觀察，電機過懸置安裝在車架上，采集點選擇電機的主動端（即電機殼體與懸置的安裝點），這樣選擇的好處是，工裝可以做成與電機剛性固定的方式，振動設備可以較高傳遞率的將振動激勵傳給電動總成。

3.2 路譜數據分析

按照表1的路況在試車場采集過來的數據進行分析，除了常規的要將異常數據進行糾正或剔除外，對于目標數據，進行頻譜分析。

3.2.1 階次分析

通過階次分析，了解電機自身運動產生的激勵特征，如圖7所示，在25階次與50階次加速度較大，體現出電機與變速箱的齒輪嚙合產生的振動特征。

圖7 階次分析

3.2.2 頻譜分析

頻譜分析的結論是，在低頻段（＜50 Hz），中頻段100～500 Hz左右，高頻端2 000 Hz以上，能量都較大。

低頻能量主要來源于不平路面的激勵。

中頻振動能量主要來自電機自身運轉產生的。

高頻振動能量也是來自電機自身運轉產生的，例如齒輪嚙合。

三種振動來源產生的能量都比較明顯，因此都需要考慮到。

3.2.3 位移分析

由于振動臺的頻率一般在2 000 Hz左右，超過這個頻率的振動，無法通過振動臺來模擬。對于大部分材料來說，材料表面的應變越大，疲勞失效的速度越快，因此通過加速度積分計算2 000 Hz以上產品的振動位移，結果顯示位移非常微小，因此2 000 Hz高頻對電機殼體的疲勞作用非常小，結合設備能力，將試驗頻率截止到2 000 Hz。

圖6 電機路譜采集點

3.2.4 試驗加速

根據電機殼體的制作材料，選擇鋁合金材料，加速系數取5。

通過加速公式，將實車道路試驗的時間壓縮到臺架振動的時長，計算出臺架上的加速度。

式中：

XT—臺架試驗時間（h）；

XN—壞路試驗時間（h）；

GT—臺架振動加速度（m/s2）；

GN—路試加速度（g）；

m—加速系數。

按照30萬公里的設計里程，將路譜數據直接處理成寬帶隨機振動，頻率范圍5～2 000 Hz，形成PSD譜如圖8。

圖8 PSD譜

振動過程中，試樣所有電氣連接完好，低壓端接帶電運行，高壓端輸入額定電壓，系統/組件帶電運行并控制電機空載，轉速1 000 rpm，試驗后，驅動電機不應出現緊固件松動或零部件損壞等現象，額定電壓條件峰值扭矩偏差±5 %。驅動電機控制器試驗前后滿足功能狀態A的要求。

4 其他總成的振動試驗方法

對于其他總成件，如內外飾大件（儀表板、副儀表板、保險杠、車門護板）等來說，不同于電動總成（即受到來自路面不平產生的低頻振動激勵，電機自身運轉產生的中頻振動，齒輪嚙合產生的高頻振動多種激勵的疊加）。他們幾乎沒有受到來自電機工作產生的激振影響，主要是受到車輛通過不平路面的激勵。

通過頻譜分析，路面激勵到200 Hz，振動能量較最高處下降到1/1 000以下，因此，針對僅受路面激勵的總成，200 Hz以上的能量可以忽略，所以試驗截止頻率為200 Hz即可。

以儀表板總成為例，為了體現更接近實車儀表板的振動環境，通過采集門前門上鉸鏈安裝處（由于門柱剛度較高，傳遞性較好，上鉸鏈也接近管梁的安裝點，如圖9）的路譜數據。按照第二節的路譜分析過程得出儀表板的隨機振動PSD。

圖9 儀表板采集點及PSD譜

內外飾產品的主要是塑料材質，因塑料件的彈性模量會因為溫度的變化而變化，材料的硬度隨之變化，產品會的彈性和玻璃性此消彼長，因此產品的耐振性會受到影響，所以振動要結合儀表的實際用戶環境溫度。

根據儀表板常見售后問題，試驗過程中及試驗后要重點關注這些問題，包括外觀是否變形、破損；功能是否正常，操作力變化情況；主要緊固件是否緊固扭矩在要求范圍內；間隙、面差是否符合要求；以上都可以通過儀器進行評測，如圖10所示。

圖10 檢測項（試驗后）

5 結論

對于電動總成和汽車上其他的大件，目前行業基本上沒有類似ISO 16750-3這樣的通用性標準，而通過實車采集的路譜數據分析得到的振動試驗參數——隨機PSD，是各企業針對這些產品振動試驗方法的制定，從拿來主義走向自主創新的思路，源于路譜，振動參數也是更加貼近實車狀態的，使汽車部件振動方法更加完整和合理。