汽车怠速异常抖动分析及诊断

相龙洋，顾彦

（上海汽车集团股份有限公司技术中心整车集成部，上海 201804）

前言

汽车在市区行驶时，发动机的纯怠速工况时间占整个循环工况时间的30%。且随着交通拥堵情况的加剧，汽车怠速工况所占比重进一步增加。而汽车怠速振动特性对驾乘体验有非常明显的影响。在研究汽车NVH性能时，可以通过传递路径和激励源两个方面考虑[1]。汽车作为一个复杂系统，受到多种振动噪声源的激励，每种激励都可通过不同路径，经过系统衰减，传递到关注的响应点。为了有效的改善响应点处的振动噪声水平，考虑到传递路径的多样性和复杂性，对激励源进行优化研究是最直接和有效的办法。如果能将激励源大大减小，整车的NVH性能即可得到很大程度的提升。

汽车振动噪声的主要激励源来自于动力总成、轮胎和风激励。动力总成中的发动机，在为发动机提供动力的同时，也产生了随工况变化的激励力。对于最常见的四缸发动机来说，曲轴旋转而带来的二阶激励是最主要的激励成分。因此，正常整车上最主要的振动应为二阶振动。当发动机工作状态出现异常，会随之产生异常的0.5阶或1阶振动，因为其频率相对较低，人对其更加敏感，所以这会极大影响车内乘客的驾乘体验。

本文针对整车怠速工况出现的异常抖动问题，基于时域分析、频域分析和阶次分析相结合的方法[2]-[4]，首先对整车的怠速异常抖动现象的激励源进行分析，然后通过与表现良好的对标车对比，研究其发动机燃烧的稳定性，进而根据燃烧特性识别出怠速异常抖动的源头，为后续优化设计提供指导方向。

1 怠速异常抖动激励源识别

发动机的转动频率计算如公式1所示[5]。

式中，n为发动机转速，fn为发动机转频。

振动信号的阶次计算如公式2所示。

式中，f为分析的振动信号频率，Order即为其阶次。

为了对怠速振动水平进行分析，试验中采用振动加速度传感器测试了座椅导轨处的振动和发动机缸体上的振动，如图1所示。座椅上的振动代表车内振动水平，人体可以直接感受到。而发动机缸体振动代表作为激励源的发动机振动水平。

图1 振动测点布置

试验过程中，首先需要热车，使发动机水温升到90度以上，达到正常怠速工况。检查冷却风扇状态，确认是风扇不开启的怠速工况。然后基于数据采集系统和专用采集软件进行振动测试，对怠速工况的振动信号进行采集，每组工况采集的时间长度为60s，同时为了确保数据准确，每组工况采集三组数据。

被测车辆的怠速转速为770 r/min，可计算得到其转频基频为12.8 Hz。对人体直接感受到的座椅导轨振动数据进行时域和频域分析，如图2所示。由结果可知振动信号中除了正常的2阶成分之外，还存在较大的0.5阶和1阶成分，且其幅值比2阶更大，这与主观感受的异常抖动相吻合。因为1阶为0.5阶的倍频成分，所以重点研究0.5阶的异常抖动。

为了明确发动机激励与怠速异常抖动的关系，试验过程中通过修改标定参数，调整了发动机的怠速转速，将其从平均700 r/min间隔20 r/min逐渐调整到平均900 r/min。分别测试各工况下的座椅和发动机振动水平。

图2 座椅导轨振动信号

对不同怠速转速的测试结果分析发现，车内座椅导轨的振动信号一直存在较为突出的0.5阶成分，且其峰值频率随怠速转速而变化。此外发动机缸体的振动信号同样存在较为突出的0.5阶成分。座椅导轨和发动机缸体的0.5阶振动幅值随怠速转速变化如图3所示。

由图3可知，座椅导轨的0.5阶异常抖动幅值随发动机缸体的0.5阶振动幅值而变化。计算此两组数据的相干系数为0.97，说明此两组信号强相关。由此可证明整车怠速工况的0.5阶异常抖动是由发动机的0.5阶激励引起的。

图3 发动机和座椅0.5阶振动随怠速转速变化

2 发动机燃烧稳定性分析

由以上分析可知，发动机的0.5阶异常振动是引起整车怠速异常抖动的激励源。已有研究表明，发动机的燃烧噪声与缸内燃烧压力变化率相关，如公式3所示[1]。

式中，I为燃烧噪声声强，pmax为缸内压力最大值为缸内压力升高率的最大值。

图4 发动机缸压测试

上式表明发动机的振动噪声与其内部的燃烧特性密切相关。为了分析发动机的燃烧稳定性，测试了问题车辆的发动机和表现良好的对标发动机的缸压在怠速工况的波动水平。测试过程中，用集成了压力传感器的同型号火花塞替换发动机原火花塞，在整车正常运行的怠速工况，通过数据采集系统测试发动机四个缸内的压力变化，测试方法如图4所示。

测试完成后对缸压数据进行深入分析。发动机各缸燃烧的每个循环中，缸内压力变化如图5所示。评价方法如下：当第2个峰值远大于第1个峰值或与第1个峰值相当时，为正常燃烧，当第2个峰值远小于第1个峰值时，属于燃烧不充分现象，为不正常燃烧循环。

图5 发动机燃烧一个循环瞬时缸压变化

分析缸压数据过程中，统计了150个燃烧循环中有异常抖动的车辆和没有异常抖动的正常车辆发动机各缸缸压的第1,2个峰值分布。通过对每个循环中的第1,2个峰值对比，计算其正常燃烧率来评价各缸的燃烧稳定性，结果如图6所示。

图6 有无异常抖动的发动机燃烧稳定性

由试验结果可知，怠速工况下，有0.5阶异常抖动问题的车辆发动机燃烧稳定性较差，尤其是第三缸燃烧不充分的现象严重，正常燃烧率仅为30%左右。而没有异常抖动的正常车辆的发动机燃烧很稳定，各缸正常燃烧率几乎为100%。据此推断发动机的燃烧稳定性差是0.5阶异常抖动的原因。

3 怠速异常抖动原因诊断

为了验证发动机的燃烧稳定性与0.5阶异常抖动的关系，又进一步根据试验进行了深入分析，将整车座椅导轨的振动信号与发动机四个缸的缸压信号进行时域同步性分析，结果如图7所示。

分析可知，当座椅导轨的振动出现0.5阶峰值时，均对应发动机第三缸活塞位于上止点附近，也就是第三缸燃烧的时刻。而上一节的分析表明第三缸燃烧稳定性较差，燃烧不充分。由此可确认，整车的0.5阶异常抖动是由于发动机第三缸燃烧不充分引起的。

图7 座椅振动与发动机缸压关系

因此为了改善0.5阶异常抖动，应该检查发动机第三缸的燃烧特性，对其进行标定或结构优化[6]，使其燃烧稳定性与其他三缸保持基本一致，即可改善0.5阶异常抖动的问题。

4 结论

整车出现0.5阶异常抖动，且抖动频率随发动机怠速转速而变化，说明异常抖动由发动机激励引起。对比问题车辆与正常车辆发动机的燃烧特性，问题车辆的发动机燃烧稳定性差，尤其是其中第三缸正常燃烧率仅为30%左右。通过振动与各缸燃烧的时域同步性分析，确认第三缸燃烧不充分是整车0.5阶异常抖动的原因。建议通过标定或结构优化来改善该问题。