某自卸車怠速間歇振動(dòng)改善研究

摘" 要：某自卸車在怠速工況下，存在間歇性振動(dòng)，嚴(yán)重影響駕乘舒適性。通過(guò)怠速振動(dòng)時(shí)頻域分析、針對(duì)激勵(lì)源-傳遞路徑-響應(yīng)進(jìn)行原因分析與方案驗(yàn)證；得知怠速間隙性振動(dòng)的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階與空壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近經(jīng)過(guò)調(diào)制而誘發(fā)間歇性振動(dòng)，最后通過(guò)將空壓機(jī)由單缸更換雙缸達(dá)到避頻效果，解決了間歇性振動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：怠速振動(dòng)；空壓機(jī)；間歇性振動(dòng)

中圖分類號(hào)：U467" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1005-2550（2023）05-0053-06

Research on Improvement of Idle Intermittent Vibration of a Dump Truck

XIA Yu-fang ， Yang Shao-gang ， Gong Ze-yuan， LI Zhi-hao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： A dump truck has intermittent vibration under idle condition， which seriously affects the driving comfort. Aiming at this problem， based on the time domain analysis and frequency domain analysis of vehicle idle vibration， the response， transmission path and excitation source of idle vibration are investigated and verified. It is found that the intermittent vibration caused by the first order of the engine crankshaft is close to the rotation frequency of the air compressor. After replacing the double cylinder air compressor， the intermittent vibration problem of the vehicle is solved.

Key Words： Idle Vibration; Air Compressor; Intermittent Vibration

引" " 言

某自卸車配6缸發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下，存在異常振動(dòng)，嚴(yán)重影響駕乘舒適性。異常振動(dòng)表現(xiàn)為在怠速650rpm時(shí)，駕駛室內(nèi)的座椅、腳地板和方向盤處明顯感受到忽強(qiáng)忽弱周期性振動(dòng)，間隔時(shí)間約1秒，且方向盤存在明顯目視可見(jiàn)的抖動(dòng)，主觀評(píng)價(jià)結(jié)論為完全不可接受。隨著怠速轉(zhuǎn)速?gòu)?50rpm提高到1100rpm，駕駛室間歇振感越大且間歇振動(dòng)頻率加快，隨著怠速轉(zhuǎn)速升到1150rpm以上，間歇振感消失。本文針對(duì)整車怠速工況出現(xiàn)的異常抖動(dòng)問(wèn)題，基于整車怠速振動(dòng)時(shí)域分析、頻域分析，通過(guò)對(duì)怠速振動(dòng)的響應(yīng)、傳遞路徑和激勵(lì)源進(jìn)行排查和方案驗(yàn)證，研究怠速異常抖動(dòng)的源頭，再結(jié)合動(dòng)力總成臺(tái)架試驗(yàn)，提出臺(tái)架振動(dòng)控制方法，為后續(xù)整車間歇性振動(dòng)提供改善方向。

1" " 怠速間歇振動(dòng)機(jī)理

怠速間歇性振動(dòng)產(chǎn)生原因：（1）由于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的波動(dòng)變化，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，引起車內(nèi)的間歇性振動(dòng)。（2）動(dòng)力總成系統(tǒng)模態(tài)與激勵(lì)頻率耦合，隔振性能差。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率與其負(fù)載系統(tǒng)頻率接近，出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的“拍振”現(xiàn)象。

拍振現(xiàn)象是指，當(dāng)兩個(gè)幅值和頻率接近的振動(dòng)信號(hào)疊加時(shí)，會(huì)合成新的頻率和幅值的振動(dòng)信號(hào)，也稱為調(diào)制信號(hào)，如下圖1所示。利用希爾伯特變換求解出調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)曲線，再對(duì)曲線進(jìn)行頻譜分析，解析出調(diào)制頻率即拍振頻率。拍振頻率為兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)頻率之差。

2" " 問(wèn)題分析

針對(duì)自卸車怠速間歇性振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)怠速間歇性振動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析。

2.1" "發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)分析

在飛輪處安裝霍爾傳感器，測(cè)得在怠速工況下的時(shí)域轉(zhuǎn)速脈沖電信號(hào)，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號(hào)后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速波動(dòng)分析，分析怠速發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力是否穩(wěn)定，如下圖2。測(cè)試轉(zhuǎn)速?gòu)?50rpm到900rpm，間隔50rpm。

從瞬時(shí)怠速轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速在時(shí)域內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化波形圖，如圖3所示。怠速700rpm 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形周期約為0.9s，怠速850rpm 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形周期約為0.7s，與間歇振動(dòng)間隔時(shí)間基本一致。

在冷機(jī)/熱機(jī)狀態(tài)下，進(jìn)行開啟或關(guān)閉空調(diào)的怠速振動(dòng)主客觀試驗(yàn)，怠速振動(dòng)客觀測(cè)試分別在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的左前、右前、左后和右后的主被動(dòng)端YZ向；駕駛室懸置的左前和右前的主被動(dòng)端YZ向；方向盤3點(diǎn)徑向、切向、法向；座椅導(dǎo)軌XYZ向，駕駛員地板XYZ向，布置了15個(gè)振動(dòng)加速度傳感器。從測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)端、地板和方向盤加速度時(shí)域曲線可以看出，存在與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速類似的振動(dòng)波形圖，有明顯拍振現(xiàn)象，如下圖4所示：

此自卸車配直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，主要激勵(lì)來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)三階點(diǎn)火激勵(lì)，下圖5為怠速700rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)端、地板和方向盤振動(dòng)加速度頻譜。除3階點(diǎn)火頻率35Hz外，存在明顯與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階11.7Hz相關(guān)的頻率振動(dòng)，且方向盤處的振動(dòng)比地板和發(fā)動(dòng)懸置大10倍以上，說(shuō)明方向盤結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階可能存在共振問(wèn)題。

其它怠速轉(zhuǎn)速下，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜均存在與發(fā)動(dòng)機(jī)1階相關(guān)激勵(lì)頻率，包括發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和空壓機(jī)，如下圖6和圖7所示：

通過(guò)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)端和方向盤加速度進(jìn)行希爾伯特包絡(luò)線頻譜分析，怠速700rpm實(shí)測(cè)振動(dòng)拍頻為1.2Hz～1.3Hz。f空- f1= 12.84Hz-11.67Hz = 1.17 Hz。

怠速700rpm實(shí)測(cè)振動(dòng)與空壓機(jī)和曲軸1階振動(dòng)產(chǎn)生的拍頻接近，拍頻周期=1/f拍頻=1/1.17= 0.85s。怠速700rpm瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形周期（圖3所示）和間歇振動(dòng)間隔時(shí)間基本一致，初步判定結(jié)論為空壓機(jī)和曲軸1階振動(dòng)頻率接近，通過(guò)調(diào)制而產(chǎn)生拍振。

3" " 整車間歇性振動(dòng)原因排查

為了進(jìn)一步確定拍振的原因是否為空壓機(jī)和曲軸1階振動(dòng)頻率相近發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象，根據(jù)怠速振動(dòng)的發(fā)生原理，來(lái)進(jìn)行逐項(xiàng)分析與排查。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該車的怠速間歇性振動(dòng)的從振源發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)存在周期波動(dòng)，動(dòng)力總成懸置和駕駛室內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)均存在拍振信號(hào)，方向盤存在共振問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題按怠速振動(dòng)研究技術(shù)路線進(jìn)行逐一排查，如下圖9：

3.1" "響應(yīng)端-方向盤振動(dòng)

響應(yīng)系，主要是分析方向盤模態(tài)是否與發(fā)動(dòng)機(jī)1階激勵(lì)是否存在模態(tài)耦合。

通過(guò)有限元方法來(lái)進(jìn)行TB車身下的方向盤模態(tài)分析，原鋼制方向盤橫擺模態(tài)為14.7Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)1階激勵(lì)發(fā)生耦合，如下圖10所示：

為解決模態(tài)耦合問(wèn)題，將原鋼制方向盤更換為鎂鋁合金方向盤，且方向盤模態(tài)頻率由原來(lái)14.7Hz提升至19.5Hz，從而達(dá)到避頻設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)鎂鋁合金方向盤進(jìn)行怠速650rpm～900rpm主客觀試驗(yàn)分析。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為，各怠速轉(zhuǎn)速下的方向盤目視抖動(dòng)問(wèn)題明顯改善，振感比原車輕，但仍能感受到忽強(qiáng)忽弱規(guī)律性振動(dòng)；客觀測(cè)試結(jié)果為下圖11為怠速700rpm方向盤振動(dòng)頻譜圖，可知鎂合金方向盤振動(dòng)明顯低于鋼制方向盤，約為1.47m/s2，仍不滿足小于1m/s2目標(biāo)要求。證明在傳遞路徑仍存在耦合共振或隔振率問(wèn)題、在激勵(lì)源上仍存在激勵(lì)問(wèn)題。

3.2" "傳遞路徑——?jiǎng)恿偝蓱抑?/p>

怠速650rpm和700rpm動(dòng)力總成懸置被動(dòng)端振動(dòng)加速度均在0.35m/s2以下，且懸置傳遞率基都控制在30%以內(nèi)，滿足傳遞率小于35%設(shè)計(jì)要求，懸置隔振良好，如下圖12所示：

3.3" "激勵(lì)源分析

研究怠速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)間歇振動(dòng)的影響，排查激勵(lì)源主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和水泵，速比如下表1：

拆除發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇，客觀測(cè)試結(jié)果可以看出駕駛室內(nèi)的響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖中關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇激勵(lì)頻率消除，如下圖14，但主觀評(píng)價(jià)與原車相當(dāng)，仍存在間歇性振動(dòng)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇對(duì)該車怠速間歇性振動(dòng)無(wú)關(guān)。

通過(guò)對(duì)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)本體上的空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和水泵進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，空壓機(jī)振動(dòng)加速度明顯大于空調(diào)壓縮機(jī)和水泵，確定首先排查空壓機(jī)對(duì)間歇振動(dòng)影響，如下圖15所示：

拆除空壓機(jī)后，整車怠速間歇性振動(dòng)消除，說(shuō)明空壓機(jī)對(duì)怠速間歇性振動(dòng)有明顯影響。原車為單缸空壓機(jī)，更換為雙缸空壓機(jī)后間歇振動(dòng)消除。通過(guò)對(duì)單缸和雙缸空壓機(jī)激勵(lì)頻率對(duì)比，各轉(zhuǎn)速下雙缸空壓機(jī)振動(dòng)明顯小于單缸空壓機(jī)，如下圖16所示：

更換雙缸空壓機(jī)后，駕駛室內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)關(guān)于曲軸1階的空壓機(jī)激勵(lì)振動(dòng)基本消除，如圖17所示。

通過(guò)從怠速振動(dòng)的響應(yīng)、傳遞路徑和激勵(lì)源進(jìn)行測(cè)試和方案排查，確定該車的怠速間歇性振動(dòng)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階與空壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率引起的，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如下圖18。

4" " 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)控制

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)分析單缸和雙缸空壓機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響。

分別在單缸空壓機(jī)、雙缸空壓機(jī)及無(wú)空壓機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置在空壓機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，如上圖19所示。 分析帶寬200Hz，采樣頻率10240Hz，頻率分辨率1Hz。

對(duì)懸置z向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行FFT，結(jié)果如上圖20所示。曲軸轉(zhuǎn)頻及點(diǎn)火頻率附近的頻率分布如圖21、圖22所示。

在曲軸轉(zhuǎn)頻處，兩邊出現(xiàn)一對(duì)邊頻，頻率為9.73Hz及11.93Hz，其中11.93Hz為空壓機(jī)轉(zhuǎn)頻，9.73Hz為曲軸轉(zhuǎn)頻，這里說(shuō)明曲軸轉(zhuǎn)頻與空壓機(jī)轉(zhuǎn)頻存在調(diào)制現(xiàn)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率處，也存在一定的調(diào)制現(xiàn)象。

對(duì)雙缸空壓機(jī)及無(wú)空壓機(jī)狀態(tài)時(shí)懸置的z向振動(dòng)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)后結(jié)果如圖23和圖24所示。

從圖中可知，這兩種狀態(tài)下載曲軸轉(zhuǎn)頻處沒(méi)有前文所述調(diào)制現(xiàn)象。

單缸和雙缸臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表2所示，在各怠速轉(zhuǎn)速下，雙缸在1階曲軸附近轉(zhuǎn)頻（8～20hz）明顯小于單缸，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和懸置振動(dòng)加速度RSS值小于0.1m/s2，主觀評(píng)價(jià)的間歇性振動(dòng)不容易被感知的。由此可通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)從而改善整車間歇性振動(dòng)問(wèn)題。

5" " 結(jié)論

通過(guò)問(wèn)題診斷和排查，確定該車的怠速間歇性振動(dòng)的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階與空壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近引起的間歇性振動(dòng)。拆除空壓機(jī)和更換雙缸空壓機(jī)，間歇性抖動(dòng)消除。

通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架1階曲軸附近轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和懸置振動(dòng)加速度RSS值小于0.1m/s2，主觀評(píng)價(jià)的間歇性振動(dòng)不容易被感知的。

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專家推薦語(yǔ)

康潤(rùn)程

國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（襄陽(yáng)）

NVH專業(yè)副總師" "研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文針對(duì)某自卸車在怠速工況下，存在間歇性振動(dòng)，嚴(yán)重影響駕乘舒適性的問(wèn)題，通過(guò)怠速振動(dòng)時(shí)頻域分析，按激勵(lì)源——傳遞路徑——響應(yīng)進(jìn)行原因理論分析，設(shè)計(jì)多種工況進(jìn)行主客觀試驗(yàn)驗(yàn)證，得知怠速間隙性振動(dòng)的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1階與空壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近而產(chǎn)生調(diào)制誘發(fā)間歇性振動(dòng)，后通過(guò)將空壓機(jī)由單缸更換雙缸來(lái)避頻，結(jié)果驗(yàn)證有效，從而解決了間歇性振動(dòng)問(wèn)題。

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