汽车水泵总成固有频率测试方法与分析

胡　滨（河南省西峡汽车水泵股份有限公司技术中心,河南　西峡　474500）

汽车水泵总成固有频率测试方法与分析

胡滨
（河南省西峡汽车水泵股份有限公司技术中心,河南西峡474500）

摘要：汽车水泵是汽车发动机上的一个核心部件，为避免它在发动机上工作时产生共振造成水泵异响、泄漏、开裂等故障，要求控制并检测其固有频率。本文介绍了固有频率的测试原理、方法，并对汽车水泵总成固有频率测试结果进行了对比分析。测试结果表明：自由状态下锤击法检测的水泵固有频率频谱曲线出现漂移，表现出高阻尼非线性特征；振动台正弦扫频共振法可获得可靠的固有频率测试结果，但需保证夹具传递特性符合测试要求；工程级半消声室中的工作噪声分析法获得的水泵动态固有频率点覆盖了转轴的低频段，可较好地反映水泵的实际工作状态。

关键词：汽车水泵；固有频率；锤击法；共振法；水泵噪声

当前，NVH特性已成为汽车、发动机设计和制造质量的一个重要综合指标，零部件的动力学性能备受关注。汽车水泵作为汽车发动机上的一个核心部件，为避免它和其它零部件频率接近，在工作时产生共振造成水泵异响、泄漏、开裂等故障，通常要求其固有频率大于某一数值。虽然目前动力学分析技术已经得到了广泛应用，但要对汽车水泵总成提出准确可靠的计算力学模型和边界条件往往存在困难，固有频率的准确计算尚难以实现。试验法获得水泵固有频率是另一重要途径，但目前关于汽车水泵总成固有频率分析及测试的文献很少，如何获得准确可靠的测试结果还有待进一步研究。

1　固有频率测试原理与计算公式

物体系统在收到外力冲击时，就会以其自身的固有频率做自由振动，这是拾取其振动信号，对该信号做频谱分析，得出系统的固有频率。

Wh：固有频率

K：综合刚性

M：质量

由以上公式得出，物体固有频率与物体本身综合刚性和质量有关；针对汽车水泵，刚性则与水泵各部件的材料、配合、结构形式等有关。

2　固有频率测试方法与分析

2.1锤击法

锤击法检测系统固有频率主要有传递函数判别法和自谱分析法。传递函数判别法为用一特定已知的激振力，以可控的方法来激励结构，同时测出力信号和响应信号（通常为加速度信号），通过传递函数的分析，得到系统的固有频率。对于线性定常系统，传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。当激励频率接近系统的固有频率时，传递函数值会迅速增大，从而可判别各阶共振频率。当激振力为单位理想脉冲时，输入信号冲击持续时间为无穷小，对输出信号的时域波形作自谱分析得到频谱图，从频谱图中各峰值处得到系统的各阶固有频率。

本方法测试系统组成如下图1所示：

基于LMS系统，采用脉冲激励法测试时，力锤沿水泵总成的轴向、水平径向、垂直径向分别敲击水泵壳体、皮带轮和叶轮轴端等部位，三相加速度传感器粘贴于皮带轮轴端。将响应信号和激励信号同时采集到LMStest.Xpress振动分析系统中。力、加速度信号的自谱分析及系统传递函数频率特性分析时，对输入信号加力窗、输出信号加汉宁（Hanning）窗以抑制噪声。图2为某型号水泵总成自由状态下典型的输入力与加速度响应传递函数频谱分析结果。由图可知，测试中冲击输入力的自功率谱在所选频带范围内干净而平坦，各向传递函数幅值谱峰值处形状宽胖，表现出明显的高阻尼特征。

根据Maxwell互易性原理，水泵模态频率测试时，采用多点激励单点响应的方法。加速度计固定于皮带轮轴端作为基准点，锤击点在水泵结构上移动。为获得较准确的固有频率值，减少漏掉模态频率的机会，测试时分别从不同的方向上进行锤击，锤击点尽可能在水泵结构上均匀分布。图3为自由状态下的某水泵等量级锤击力时，在结构上均匀分布的不同锤击点三个方向上的传递函数第一阶峰值频率情况。由图可知，锤击点位置移动时，第一阶固有频率值出现波动。其中，沿水泵径向锤击时的测试值波动较大，轴向锤击时波动最小。竖直方向锤击时，多数锤击点的轴向及竖直方向的频谱曲线平坦，在有效锤击频率范围内难以激出固有频率。综合各锤击点及各方向上的测试结果可知：该水泵自由状态下的第一阶固有频率大于300Hz，轴向固有频率远高于径向固有频率。同时，试验过程中亦发现，不同锤击力下的频谱曲线出现漂移，水泵振动特性具有非线性特征。由于锤击的力度与速度、锤击点的接触刚度、水泵结构非线性（如：间隙、连接点处的非线性阻尼、与加载有关的刚度等）的影响，该方法难以准确获得各方向上的固有频率数值。

2.2 振动台正弦扫频共振法

水泵正弦扫频试验采用苏试DC-1000-15/SV-0505电动振动试验系统。试验时，水泵通过夹具固定在振动台面上，控制加速度传感器固定于振动台的水平及竖直滑台上，监测加速度传感器固定于水泵轴端。采用不同的目标谱加速度峰值对水泵进行正弦对数扫频，扫频率1oct/m in，谱线数目2048。将水泵响应信号采集到UCON振动控制系统中作频谱分析，与控制加速度幅值谱比较后获得水泵的固有频率点。

本方法测试系统组成如下图4所示：

共振试验中水泵夹具的传递特性对测试结果有着直接的影响。对于质量轻、体积小的汽车水泵而言，振动夹具需保证1000Hz以下没有共振峰值，一阶共振频率需大于试件一阶共振频率的3-4倍，且正交轴向运动需小于主轴运动。由于很难按设计图纸准确计算出夹具的频响特性，因此水泵夹具制作完成后通过试验测试其动力学特性，以保证其传递特性符合试验要求。图5为某型号水泵振动测试夹具改进前后的目标谱3g加速度振动扫频结果对比。由图可知，在20－1000Hz范围内，夹具JIG1沿水泵轴向出现340Hz和526Hz共振峰，沿水泵径向出现340Hz、680Hz和928Hz共振峰，水泵WP安装在夹具JIG 1上后，其径向频谱基本不变，轴向频谱在526Hz左右出现共振耦合现象。夹具JIG2在20－1500Hz范围内频响曲线平坦，水泵WP安装在夹具JIG 2上后，其轴向频谱曲线在379Hz处出现共振峰，水泵径向出现228Hz和1174Hz共振峰，这些共振峰频率均为水泵的固有频率。

2.3动态固有频率测试法

所谓动态固有频率，是指水泵在一定工况条件下运转时转轴系统的固有频率。通常，水泵在正常工作过程中，除受皮带传动作用以一定转速旋转外，还会受到诸如冷冻液脉动压力、轴连轴承油膜动态反作用力、滚动体离心力、转轴不平衡量等各种干扰力的作用。水泵在这些干扰力信号的作用下，转轴振动响应的频率特性将发生变化。若对应转轴的固有频率附近有足够的激发能量，即可激起转轴系统的固有共振。试验中通过相应传感器记录包含这种固有振动的相关信息，即可分析识别水泵转轴系统的固有频率。

水泵动态固有频率分析采用声传感器在工程级半消声室中进行，测试室背景噪声小于相应转速下的工作噪声10dB(A)以上。测试时，水泵的安装条件尽可能保持与发动机上一致，水泵带轮的张力、扭矩和水管的连接表现发动机上的环境，水泵按一定的进出口压力、流量、温度运转，性能与设计点流量保持一致。丹麦B&K积分型声级计实时采集不同转速下的工作噪声声压信号，经声卡线性输入至计算机中，进行声压谱分析。噪声信号采样频率44100Hz，FFT长度16384，hanning分析窗，线性平均方式，对信号作A计权线性频谱分析。图6为某型号水泵不同转速下的声压谱，由图可知，在20-1000Hz范围内，工作状态下的水泵由噪声信号反映出的振动频率特性变得复杂，分布在一个较宽的频带范围内，各转速下的声压谱在35Hz、56Hz、100Hz、142Hz、192Hz、240Hz、382Hz、600Hz处均出现共振峰。由于声音来源于物体的振动，因此可将这些不随转速而变化的声压谱峰值频率点定义为水泵动态固有频率点。由图6可知，这些共振频率点覆盖了转轴的低阶固有频率，较好地反映了水泵的实际工作状态。

3　结论

水泵振动特性具有非线性特征，水泵结构、约束和实际运动情况为影响水泵模态频率的三个主要因素。为实现对汽车水泵固有频率的测试，试验时需对水泵的边界条件作出选择，不同边界条件下的水泵表现出不同的频率特性。

（1）自由状态锤击法试验时，不同锤击力下的频谱曲线产生漂移，由传递函数判别法获得的固有频率点在一定范围内波动。

（2）采用振动台正弦扫频共振试验可准确获得水泵在固定边界条件下的固有频率值，但需保障夹具在所选测试频率范围内频响曲线平坦。

（3）在工程级半消声室中采用声传感器，通过对不同转速下的工作噪声分析获得的水泵动态固有频率点覆盖了转轴的低阶固有频率段，较好地反映了水泵的实际工作状态。

参考文献:

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作者简介：胡滨（1972—），男，主要从事：水泵的研究测试工作。