轿车起步颤振现象实验测试与时频域分析

徐平 栾文博 张逸 王从鹤 陈爱军

摘要：汽车起步颤振是指汽车在一定的挡位、节气门开度和道路负载下起步时，出现的传动系剧烈的扭转振动现象。本文考虑了挡位、节气门开度和路面坡度等因素，选取一挡小油门起步工况进行了实车道路实验，对测得的某位置振动加速度信号进行了时域和频域上的分析，确定该工况下引起该轿车起步颤振现象的特征频率。

关键词：起步颤振；实验测试；时域分析；频域分析

中图分类号：U463.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0049-04

Time-Domain and Frequency-Domain Analysis of Vehicle Launch Shudder Test

XU Ping1，LUAN Wen-bo2，ZHANG Yi2，WANG Cong-he1，CHEN Ai-jun1

（1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd., Shanghai 201201， China；

2. Automotive School， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract: Launch shudder is the drastic torsional vibration phenomenon of drive train under certain gear， throttle opening and road load while launching. In this paper， considered the gear， throttle opening and grade， the time-domain and frequency-domain analysis for the acceleration signal of vibration acquired by vehicle launching road test of 1st gear and small throttle opening are carried out. Finally， the excitation frequency which results in the launch shudder is confirmed.

Key words: launch shudder；test；time-domain analysis；frequency-domain analysis

汽车传动系的NVH性能对整车的舒适性、平顺性至关重要。汽车传动系是一个复杂的非线性系统，其振动形式主要表现为扭转振动［1-3］。汽车起步颤振现象描述的是在一定的挡位、节气门开度和道路负载下，汽车起步时出现的传动系剧烈的扭转振动现象［4，5］。本文即针对某轿车开展起步颤振的实验测试与分析。

1 起步颤振现象实验方案

考虑挡位、节气门开度和路面坡度，进行了实车起步道路实验。颤振实验的车载采集设备为NI-PXI数据采集系统，包含LabVIEW SignalExpress、PXI-4496采集卡和IEPE压电式加速度传感器等软、硬件采集设备。考虑到传动系发生颤振时，整车在纵向（前进方向）的加速度波动较大，所以加速度传感器大多布置在整车各部件的纵向位置，如图1所示。

2 实验数据分析

通过车载数据采集设备获得了实车起步道路实验各通道的振动加速度信号，采用频谱分析、时频分析对实验数据进行处理与分析。时频分析是在时间域和频率域内联合观察频率和能量随时间变化的情况；频谱分析用于精确把握各工况下颤振时的频率和能量分布情况。这里选取一挡小油门起步工况为例进行分析。

2.1 振动信号的时域分析

车载数据采集系统记录了一挡小油门起步工况各通道的振动加速度信号，下面是平路起步和坡道起步工况下的前悬副车架纵向位置传感器记录的时域信号，如图2所示。

从信号的时域图中，0～6 s信号幅值较小且波动范围较稳定，此时处于发动机怠速段；10～25 s信号的振动加速度幅值明显增大，认为传感器捕捉到了颤振现象。对比该工况下的平路起步和坡道起步，发现坡道起步颤振段的振动加速度的幅值几乎为平路起步的2倍。

2.2 振动信号的频域分析

将时域分析中前悬副车架纵向位置的传感器信号在频域上进行处理，首先采用时频分析，在时间域和频率域内联合观察振动能量的变化，如图3所示。

从时频分析图中可以看出，红色集中的区域为振动能量的集中区域，图中0～8 s左右，频率维持在发动机怠速频率；10 s以后随着发动机转速的升高和波动，能量集中的频率发生改变，由此可以观察出颤振段的频率和能量分布。结合实验时的主观感觉对图中红色较集中区域进行分析，认为颤振区发生在15～21 s左右。

由于是起步工况，将0～6 s左右的发动机怠速时间段认为是未发生颤振段，将15～21 s左右的时间段认为是发生颤振段，分别对这两个时间段进行频谱分析，如图4和图5所示。图中依次包含了时域图、幅值谱和自功率谱密度。

从平路起步和坡道起步下的频谱分析，当发生颤振时，坡道起步几个峰值频率处的自功率谱密度幅值大于平路起步自功率谱密度幅值数倍，即坡道起步颤振的现象更为明显，这与主观感受相一致。

平路起步工况下，将未发生颤振段与颤振段的自功率谱的幅值结果进行比较，可以看出幅值上颤振段明显大于未发生颤振段（发动机怠速），振动能量较大，从幅值谱图的幅值上也能得到同样的结论；未发生颤振段的振动加速度信号频率集中于12.45 Hz、24.9 Hz、50.17Hz；颤振段的振动加速度信号频率集中于12.45 Hz、21.61 Hz、43.95Hz。

坡道起步工况下，同样将未发生颤振段与颤振段的自功率谱、幅值谱结果的幅值进行比较，可以看出颤振时振动能量较大；未发生颤振段的振动加速度信号频率集中于12.45 Hz、24.9 Hz、50.17 Hz；颤振段的振动加速度信号频率集中于13.55 Hz、15.75 Hz、23.44 Hz、46.51 Hz和93.02 Hz。

3 结论

通过实车道路实验的手段，考虑了挡位、节气门开度和路面坡度等因素，对汽车的起步颤振现象开展了实验测试。文中选取了一挡小油门工况进行了起步道路实验，将测得的各通道振动加速度信号进行了时域和频域上的分析，并将平路起步和坡道起步进行了对比分析，认为坡道起步的颤振感大于平路起步，找出了对应工况下引起汽车起步颤振现象的特征频率，为汽车起步颤振现象机理分析研究奠定了基础。

参考文献：

［1］ 仁少云，孙承顺，张建武. 某牵引车传动系起步扭转振动动态响应分析［J］.上海交通大学学报，2003，37（11）:1780-1783.

［2］ 蒋国平，王国平，陈步达，等. 车辆动力传动系振动研究评述［J］. 江苏理工大学学报（自然科学版），2000，21（3）:22-25.

［3］ Thomas Wellmann and Kiran Govindswamy. Development of a Multi-Body Systems Approach for Analysis of Launch Shudder in Rear Wheel Driven Vehicles ［J］. SAE Paper， 2009-01-2073.

［4］ 袁晨恒，姚兆祥，姜艳军，等. 轿车传动系扭转振动模型分析与计算［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2010，24（7）:18-22.

［5］ 顾福勇，张代胜，席彦擘. 离合器接合过程中的汽车传动系扭转振动分析［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版），2006, 27（9）: 809-813.