动力总成刚体模态引起车内抖动的分析与控制

赵春 郑军 王弘岩 张志铭 李虎 金磊

（众泰汽车工程研究院）

汽车的NVH性能直接影响乘客的舒适度[1-2]。汽车抖动一般来源于发动机和路面激励，车身结构模态和传动系统也会影响激励力的大小，例如驱动桥内齿轮啮合产生抖动以及路面激励车身抖动等。按照激励方式的不同，可分为发动机怠速抖动、转向系统抖动、传动系统抖动、车身左右抖动、车身不平顺性抖动及车轮抖动等。文章重点讲述某车型在怠速工况下，由于动力总成刚体模态共振引起座椅抖动问题的试验诊断过程，并通过重新匹配悬置系统使问题得以解决。诊断过程中，采用的顶变速箱、发动机施加附重等措施，能快速有效地判断悬置系统与车内噪声振动的关联性。

1 问题描述

某车型在怠速不带载（发动机在750 r/min转速下运转，无其他附件和电器工作）工况，座椅存在抖动问题，严重影响驾驶员的舒适性。当空调开启，即怠速带载（发动机在850 r/min转速下运转，鼓风机在1挡，压缩机启动，迎面风，内循环）工况，座椅振动较好，几乎不存在抖动现象。

在座椅导轨上布置加速度传感器，分别采集怠速不带载和怠速带载工况的振动信号，数据显示，怠速不带载相较怠速带载工况，座椅存在19.1 Hz左右的振动峰值，如图1所示。结合主观评价，综合分析，怠速不带载工况的座椅抖动对应频率即为19.1 Hz。

图1 某车型怠速工况下的座椅振动谱图

2 原因诊断分析

19.1 Hz非发动机点火频率，且3个悬置主、被动端的振动均存在该振动峰值，悬置隔振性能较好。根据上述客观数据和主观评价，初步判断，该抖动问题由动力总成刚体模态共振引起。

该车型动力总成横置，质量为142 kg左右，通过3个悬置支撑在车身和副车架上。其中变速箱悬置和后悬置为橡胶悬置，发动机悬置为液压悬置。动力总成刚体模态的影响因素有很多，动力总成质量、质心位置、悬置布置位置及悬置刚度等都会对动力总成刚体模态带来较大影响。故排查问题和优化问题主要从以上影响因素着手。

2.1 改变悬置振动传递特性

使用千斤顶将变速箱略微上抬（以下简称措施1），用以改变变速箱悬置的力的传递特性，同时对动力总成的姿态也会有一定影响。此时，在怠速不带载工况，主观评价座椅振动较好，抖动现象消失。客观数据表现同样特性，如图2所示，当采用措施1后，座椅X向的19.1 Hz振动峰值基本消除。撤去变速箱下的千斤顶后，座椅抖动又重新出现。

图2 采用千斤顶方式前后的汽车座椅振动谱图

2.2 改变动力总成振动特性

由于动力总成刚体模态与其质量有很大关联，故在动力总成上方施加12 kg的沙袋附重（以下简称措施2）用以确认问题。试验同样采用A—B—A的方式反复验证，当动力总成施加附加质量后，主观评价抖动现象消失，对应的19.1 Hz振动峰值也基本消除，如图3所示。

图3 动力总成施加附加质量前后的座椅振动谱图

2.3 动力总成刚体模态试验

以上2种诊断措施都说明座椅抖动问题与动力总成相关。为了验证上述诊断结果的准确性，必须进行整车状态下动力总成的刚体振动模态试验。本次刚体模态试验在发动机和变速箱上布置16个测点，为了完全得到动力总成的6个刚体模态，在动力总成上选取2个倾角激励，即传动半轴与变速箱连接处斜向和发动机缸盖右前上角斜向2点激励。采用互功率谱和自功率谱计算频响函数，50次平均，然后使用MIMO下特征系统实现算法进行模态分析[3-6]，通过振型分辨及模态验证后，得到整车状态下动力总成刚体模态参数，如表1所示。

表1 动力总成刚体模态参数

从表1得知，动力总成存在19.8 Hz的绕Z向转动的刚体模态频率，与车内的抖动频率基本对应。从而也验证了上述2种措施用于排查问题的有效可行性。综上所述，怠速不带载工况，引起座椅抖动问题的根本原因为发动机激励动力总成刚体模态共振产生抖动，并通过悬置传递至车身。

3 优化改善

由于该车型已处于设计验证阶段，发动机参数基本定型。受发动机舱内空间限制，结合动力总成转动惯量的测试结果，通过改变悬置结构设计、调整悬置位置和安装角度等措施来改善动力总成刚体模态共振问题的可行性不大[7-9]，且改善效果不一定有效。综合上述的客观因素，考虑可通过调整各悬置主方向的刚度参数来优化匹配动力总成刚体模态。悬置参数优化，如表2所示。

表2 优化前后的悬置刚度值N/mm

从表2可以看出，优化后，各个悬置动刚度有所降低。然后在怠速不带载工况下对该车型进行振动测试和主观评价，用以验证和评估调整悬置刚度后的座椅抖动问题的改善效果。测试结果，如图4所示。

图4 悬置优化前后的座椅振动谱图

从图4可以看出，装载悬置优化方案后，座椅的19.1 Hz振动峰值基本消除，且3个方向的25 Hz振动峰值也有较大的改善，主观评价座椅振动良好，不存在任何抖动现象。后期又经过3万km强化耐久试验，没有出现任何异常，最终将该悬置优化方案作为悬置定型方案。

4 结论

文章主要针对动力总成刚体模态引起的座椅抖动问题，采用顶变速箱、发动机加附重等措施来判断问题根源，并通过动力总成刚体模态试验加以验证，最终通过重新匹配悬置系统，从而解决了怠速不带载工况下的座椅抖动问题。其中，顶变速箱法和发动机加附重法属于试错法的工程应用，可广泛应用于排查和确认悬置系统的振动特性与车内噪声振动的关联性，尤其是静态试验，包括怠速工况的阶次振动。同样，顶变速箱法可衍伸至顶发动机，用以改变发动机悬置振动的传递特性。

该研究成功排查确认了抖动问题的根本原因并加以解决，但仍然存在不足之处。优化悬置刚度后，并未对动力总成刚体模态重新进行试验，确认其模态频率及振型的变化情况，故仍然没有明确重新匹配悬置刚度解决抖动问题究竟是由于动力总成刚体模态发生变化还是由于悬置系统隔振性能增加的结果，后期有待试验确认。文章希望通过该诊断经验，在排查悬置系统与车内噪声振动的关联性方面提供一定的参考。