基于LMS频谱分析方法研究整车怠速抖动问题

韦慧红，韦流权，何有增，肖国钰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州，545007）

基于LMS频谱分析方法研究整车怠速抖动问题

韦慧红，韦流权，何有增，肖国钰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州，545007）

为解决整车怠速抖动问题，本文通过频谱分析方法依次寻找影响怠速抖动的因素，并分析这些因素的影响机理。在怠速开空调的工况下，分析了冲击现象产生的原因，通过控制冷却风扇的动不平衡量，来解决怠速振动和冲击的问题。

怠速抖动；频谱分析；冲击；动不平衡量

引言

随着顾客对汽车产品的性能要求日益提高，汽车生产企业不断研发新技术，积极实施技术改造项目，使汽车整体性能不断提高。

在整车性能指标中，NVH（振动噪声）性能已经成为用户敏感度最高的指标之一［1，2］。整车NVH性能的评价工况有很多种，其中怠速是用户在驾驶过程中比较常用的工况。怠速的NVH水平将直接影响客户对整车NVH性能的评价。在怠速工况下，整车的主要振动源是发动机本体，本文主要针对怠速工况下驾驶室振动过大而且伴随着严重冲击的现象，对怠速振动进行频谱分析，确定引起问题的主要因素。通过验证来改进和消除怠速工况下的振动过大和冲击现象。

1 问题描述和评估

在某车型的开发过程中，工程人员在对该车型的样车进行怠速振动评估时发现：该样车在怠速工况下，座椅导轨和方向盘的振动比较大，尤其在开空调的工况下，该问题更为严重，而且伴随着一阵一阵的严重冲击。

针对上述情况，工程人员组织了动态感知主观评价活动。评估人员普遍认为：怠速振动严重，冲击现象明显，不可以接受。

为了获取怠速振动的初步信息，NVH工程师按照怠速振动测试标准对样车进行测试，主要包括怠速关空调和怠速开空调两种工况，评估的主要关注点是座椅导轨和方向盘的振动。整个测试过程使用的工具是LMS公司的Test Lab噪声信号分析软件、朗德公司的Artemis分析软件，以及相关的数据采集系统。

在怠速关空调工况下，确认压缩机、冷却风扇、助力转向泵等发动机相关附件均处于不工作状态，发动机的怠速转速维持在一个相对平稳的转速范围内（转速变化小于50 rpm）。关注的位置主要是座椅导轨的Z向振动和方向盘的X、Y、Z三个方向的振动［3］。

从图1中可以看出，怠速工况下的振动主要是由25.6 Hz左右的激振源引起的。发动机的怠速转速是（775±50）rpm，其二阶激励是（（775±50）/60）×2≈（25.8±1.7）Hz，与图1的频谱特征符合，可以初步判定怠速振动过大是由发动机振动引起的［4，5］。

图1　怠速关空调工况下的座椅导轨振动

在怠速开空调工况下，确认压缩机、冷却风扇等发动机相关附件的工作状态，助力转向泵的非工作状态，发动机的怠速转速维持在一个相对平稳的转速范围内（转速变化小于50 rpm）。关注的位置主要是座椅导轨的Z向振动和方向盘的X、Y、Z三个方向的振动。开空调工况下，发动机的怠速转速是（825±50）rpm，其二阶激励是（（825±50）/60）×2=（27.5±1.7）Hz，从图2的频谱来看，可能的原因是发动机二阶激励与某激励源发生共振，导致怠速抖动过大。

图2　怠速开空调工况下方向盘的振动

从开空调工况下的时域分析来看，怠速时存在很明显的周期性冲击，这种现象的存在会使驾驶员感到十分不适，如图3所示的时域数据。

图3　怠速开空调工况下的时域数据

2 问题分析与解决办法

针对怠速工况下的振动过大情况，初步判定原因是发动机振动过大。该发动机在其他样车上并没有出现类似的问题，推测是发动机的悬置系统隔振不好所导致的问题。通过悬置零件系统分析，发现悬置零件完全满足设计要求，最后通过调整悬置的装配工艺来解决怠速振动的问题。

通过对现有装配工艺分析发现，悬置安装打紧的顺序不合理，悬置系统装配完成以后存在着应力得不到释放的问题。调整悬置的装配工艺，释放装配过程中产生的应力，测试发现调整装配工艺可以有效解决怠速振动的问题。

图4　调整悬置前后的怠速振动情况

通过分析图4可发现，调整悬置释放应力的方法可以有效解决怠速振动的问题，方向盘和座椅导轨的振动都有所改善。

怠速开空调的工况下的振动比不开空调的情况严重的多（如图5所示）。同时开空调的工况下存在着严重的冲击现象。此时压缩机和冷却风扇是工作的，相应的发动机怠速转速也提高到（825±50）rpm，压缩机的频率是14～20 Hz，冷却风扇的频率是（1850±100）/60=（30.8±1.7）Hz。

图5　怠速振动情况对比

详细分析怠速开空调工况下的振动，如图6所示，在26～32 Hz区间存在着一个共振区域，当冷却风扇开启时，发动机怠速频率与冷却风扇频率之间发生共振，而后该振动传递到驾驶舱内。当冷却风扇本身的振动比较大时，通过与发动机怠速频率的共振，该振动会被放大，从而使怠速振动变得不可接受。当冷却风扇本身存在着周期性振动时，这种冲击也会通过与发动机共振放大后传到驾驶舱内，主观感受表现为受到冲击。

图6　怠速振动频谱分析

对冷却风扇的零件进行分析，发现冷却风扇的动不平衡量并不满足零件设计要求，工程师从零件中选取了符合设计要求的五个零件，并且测试了故障风扇的不平衡量，编成一组样件，进行通过主观评估和客观测试来验证频谱分析的结论，如表1所示。

表1　风扇样件评估

通过评估发现，如果风扇的动不平衡量能够满足设计要求，就不会产生怠速振动和冲击现象。从图7所示的时域图中可以看出，平衡风扇以后的冲击现象得到明显改善。

图7　冷却风扇平衡后冲击现象的改善

此外，发动机怠速频率与冷却风扇频率相近，导致风扇的振动被放大，也是产生怠速振动和冲击的重要原因，将平衡量不好的风扇装在样车上，通过改变冷却风扇的驱动电压来改变冷却风扇的频率，当冷却风扇的转速达到1950 rpm时，冷却风扇频率是1950/60=32.5 Hz。这时即使冷却风扇的平衡量不好，冷却风扇的振动也传递不到车内。从图8测试频谱可以看出：冷却风扇的频率和发动机的怠速频率没有发生共振，主观评估也没有明显的冲击。

排气系统的振动与怠速振动也有很大的关系，当排气系统的隔振不好时，排气系统的振动也会传递到车身内部。检查排气系统与车身连接处的吊耳动刚度，发现吊耳动刚度并不完全满足要求，如图9所示。

图8　改变冷却风扇转速时的怠速振动

图9　动刚度测试曲线

将排气系统的吊耳脱离开，重新测试怠速的振动情况，发现怠速振动的情况只有轻微的改善，可以认为排气系统的振动对怠速振动的影响比较小。

3 结束语

本文基于LMS和朗德的采集分析软件，使用频谱分析的方法，分析了影响怠速振动的主要因素，尤其是重点分析了冷却风扇的振动和怠速振动之间的关系，找到了引起怠速振动和冲击现象的主要原因是冷却风扇的不平衡量，通过控制冷却风扇的零件质量来控制整车的怠速振动，对解决类似的怠速振动问题具有重要指导意义。

［1］丁渭平. 车内低频噪声与悬架特性参数的定量关系［J］. 噪声与振动控制， 2006， 26（5）: 70-73.

［2］林逸， 马天飞， 姚为民， 等. 汽车NVH特性研究综述［J］. 汽车工程， 2002， 24（3）: 177-181.

［3］丁渭平. 车身乘坐室声振耦合的动态子结构修改方法［J］. 噪声与振动控制， 2002， 22（2）: 17-19.

［4］庞剑， 谌刚， 何华. 汽车噪声与振动: 理论与应用［M］. 北京: 北京理工大学出版社， 2008.

［5］杨明亮. 汽车动力总成悬置系统NVH性能分析及改进设计［D］. 四川: 西南交通大学， 2008.

Research on Vehicle Idle Vibration Issue Based on LMS Frequency Spectrum Analysis Method

Huihong Wei， Liuquan Wei， Youzeng He， Guoyu Xiao（SAIC GM Wuling Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

In order to solve the vehicle idle vibration issue， this paper finds out the influencing factors based on frequency spectrum analysis method， and analyzes how these factors affect vehicle idle vibration. Under the idle condition with air conditioner on， the cause of fan shock is analyzed. By controlling the dynamic unbalance， the idle vibration and shock issues can be solved.

Idle Vibration； Frequency Spectrum Analysis； Shock； Dynamic Unbalance

U260.6

A

2095-8412 （2016） 04-757-03

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.047

韦慧红（1988-），女，壮族，广西柳州人，本科，助理工程师，任职于上汽通用五菱汽车股份有限公司。研究方向：车辆工程。

E-mail: Huihong.Wei@sgmw.com.cn