某CUV车内怠速振动问题研究

赵振兴 石伟

（1-长城汽车股份有限公司技术中心 河北 保定 071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

引言

目前，柴油车型的振动水平已经成为衡量车辆性能的一个重要指标。各种振动传递到方向盘、座椅、地板时，乘客会感受到这些振动，引起乘客抱怨。避免振动大问题的一般方法是降低发动机激振力，提高悬置隔振量，“被动件”避开发动机二阶频率[1-2]。怠速工况下，方向盘及座椅的振动显得尤为敏感。排气系统是引起柴油车内振动的主要系统之一[3]，表现形式是排气系统与动力总成共振，传递路径很难查找，共振原因难以理解，如果相关原因分析错误会导致问题解决出现偏差。

1 问题描述

公司内一款新研发CUV车型，匹配四缸2.0L涡轮增压横置柴油发动机和6AT自动变速器，动力总成采用三点式悬置布置，左右悬置为液压悬置。R挡怠速工况驻车待行（下文简称R挡怠速）时，方向盘及座椅振动较大，主观感受差。但是D挡怠速工况驻车待行时（下文简称D挡怠速），无此问题，具体数据如表1所示。

表1 振动数据表m/s2

2 原因分析

2.1 原因定性

从问题现象看R挡怠速异常可能性之一，是变速器R挡怠速所需发动机转矩输出增加，造成动力总成悬置主动侧振动加大。图1是不同变速器油温下的D挡怠速和R挡怠速的转矩（变速器需要发动机的输出转矩）对比，发现D挡怠速和R挡怠速的变速器转矩无异常差别，所以排除此原因。

图1 转矩对比图

6AT内部有4对行星齿轮组，D挡怠速有1对在工作，R挡怠速有3对在工作，R挡相对于D挡的行星齿轮组因数量多所以转动惯量相对较大。R挡怠速时将发动机转速由750 r/min提升至1 050 r/min以上，方向盘和座椅振动接近D挡怠速水平。转速增加会造成转动惯量增加，但是怠速振动水平变好，说明整车存在某种共振现象。R挡怠速相对D挡怠速时，变速器内部转动惯量的不同仅仅是共振的“导火索”。

图2 方向盘振动频谱

图3 座椅导轨振动频谱

2.2 共振原因查找

从方向盘和座椅（主驾座椅导轨）的X、Y、Z的3个方向，分析R挡怠速和D挡怠速，其振动能量在13.3Hz、25Hz、39.2Hz、50 Hz、76 Hz存在差值异常，具体数据如图2、图3所示。这些异常频率点是共振频率点。经过对比方向盘（转向系统）和座椅的振动频率，未找到与上述频率相近的频率，排除了方向盘和座椅与动力总成激振耦合共振的可能。

25Hz、50Hz是发动机怠速工况下的二阶和四阶。从排气系统的振动频率上找到了“13.3Hz、39.2 Hz、76Hz”相近振动频率，具体如表2所示。而且排气系统的一阶垂弯23.8 Hz模态与发动机怠速转频二阶25Hz接近，存在共振风险。

表2 排气系统模态数据表Hz

2.3 共振对悬置影响的解析

虽然从数据上可以判断排气系统与动力总成存在共振，但是造成方向盘和座椅振动大的现象，是共振导致的悬置隔振量下降？还是动力总成的激振能力增加了呢？

图4~图9，是将R挡怠速和D挡怠速的动力总成主被动侧振动状态，按照左悬置、右悬置、后悬置分别分析；按照每个悬置的X向、Y向、Z向的动力总成主被动侧振动状态分别对比分析。

图4 左悬置主动侧振动频谱比较

自图中信息可知如下规律：

规律1：R挡怠速共振时，相对于D挡怠速，其动力总成悬置主动侧振动变大。说明共振有导致主动侧振动加大的作用。

图5 左悬置被动侧振动频谱比较

图6 右悬置主动侧振动频谱比较

图7 右悬置被动侧振动频谱比较

图8 后悬置主动侧振动频谱比较

图9 后悬置被动侧振动频谱比较

规律2：R挡怠速共振时，相对于D挡怠速，其动力总成悬置被动侧振动大很多。说明悬置隔振量降低（隔振能力变差）。

2.4 共振导致悬置隔振量差的原因

图10为动力总成悬置的隔振原理示意图[4]。假设位移X1（t）为正弦波，那么X2（t）也为正弦波，其中弹簧力为 k（x2-x1），阻尼力为 c（x˙2-x˙1），由牛顿第二定律有：

式中：k 为弹簧刚度，N/m；ω 为激振频率，rad/s；ωn为系统固有频率，ωn=，rad/s；m 为集中质量 kg；ζ为阻尼比，ζ=c/cn=c/2mωn；c为粘性阻尼系数；cc为临界粘性阻尼系数，cn=2mωn；Rf为频率比，Rf=ω/ωn。

图11是幅频特性曲线图例，频率比接近1或等于1时，是共振现象，此时振动传递率最大；隔振量是振动传递率的倒数，由此可知共振严重影响了隔振量。

图10 隔振原理示意图

图11 幅频特性曲线图（例）

2.5 振动传递路径分析

图12 是传递路径示意图，为确定振动传递路径，将排气系统中间的橡胶吊挂摘掉，共振依然存在。说明共振主因是动力总成激起排气系统模态，在振动路径上是排气系统振动反传给动力总成，通过动力总成悬置传递到车内，造成车内R挡怠速时方向盘和座椅振动大。

图12 传递路径示意图

3 对策与结果

此问题由排气系统模态引起，解决方案可以从排气系统模态、软连接、悬置3个方面着手。具体策划如表3所示。

结合实际情况，决定采用“降低软连接刚度”方案，刚度降为原状态的50%。图13为软连接动刚度改善变化图。此方案虽未消除排气系统在发动机25Hz转频下的垂向振型，但降低50%刚度的软连接使排气系统本身隔振能力增加，消除了R挡怠速的共振现象。

表3 对策表

图13 软连接动刚度变化图

4 结论

总结出排气系统与动力总成共振，是引起怠速车内振动异常的一条原因。排气系统与动力总成共振使得动力总成激振强度变大；排气系统与动力总成共振使得动力总成的悬置隔振量变差。

排气系统模态与发动机的二阶即使模态接近，不一定会共振，还取决于激振力的大小。例如文章中所提到的D挡怠速和R挡怠速振动差异，相对于D挡怠速，R挡怠速仅仅是变速器内部多了2对行星齿轮组在工作，相对较大的旋转惯量激发了排气系统与动力总成的共振。也如对策中所提到的降低排气系统软连接刚度，其目的是提高排气系统自身隔振能力，避免共振产生，但其排气系统振型无变化。

对于以上结论在工程上的应用，就定性和趋势而言其结论通用。