转速相关与车速相关的两类汽车振动分析应用

俞俊兆 谭继锦

摘  要：文章对引起汽车异常振动的原因进行了研究，将引起汽车振动的原因归为与转速或与车速相关两类，总结出汽车异常振动测试与分析流程。以某型汽车行驶时产生的异常振动问题为例开展道路试验，结合模态试验和车轮偏频试验，确定试验车辆的异常振动是由于车轮的转动频率与车轮总成偏频同频导致，同时车架进一步放大了振动。针对引起该车辆异常振动的原因提出改进意见，减弱了车辆的异常振动。

关键词：异常振动;转速;车速;道路试验

中图分类号：U467.1+1    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）03-0066-05

Abstract： The article studies the causes of abnormal vibration of automobiles， classifies the causes of automobile vibrations into two categories related to rotational speed or vehicle speed， and summarizes the process of automobile abnormal vibration testing and analysis. Carry out a road test with an example of abnormal vibration generated by a certain type of vehicle. Combining the modal test and the wheel frequency deviation test， it was determined that the abnormal vibration of the test vehicle was caused by the rotation frequency of the wheel and the frequency deviation of the wheel assembly， and the frame further amplified the vibration. Suggestions for improving the abnormal vibration of the vehicle were put forward， and the abnormal vibration of the vehicle was reduced.

Key Words： Abnormal vibration; Rotating speed; Vehicle speed; Road test

引    言

隨着汽车各方面性能提升的需求，振动性能分析显得尤为重要。造成汽车振动的原因主要有发动机、传动部件以及路面激励等。在行驶过程中，如果传动轴和轮胎等高速旋转部件出现异常，就会产生周期性的离心力，导致异常振动。当这些振动传递到车架或车身上时，一旦发生激励频率与车身固有频率相近甚至相同，就会产生较大的振幅，甚至造成明显的异常振动。

引起汽车振动的外部原因有多种，汽车振动不可避免，但产生异常或过大振幅振动是汽车产品必须避开的基本要求。测试与分析产生异常振动原因的方法有多种，但可以将其简单归为两类：一类是与发动机转速相关，即由发动机激励引起，与车身或其他部件发生共振;另一类是与车速相关，即由车轮等旋转部件引起，与车身等部件产生同频。基于这一原理，通过获取车身与发动机悬置等部位少量的测点动态信息，就可以分析查找引起汽车振动的原因及传递路径。

以某型汽车行驶时产生的异常振动问题为应用实例，根据汽车振动故障排除流程，结合道路试验与两类汽车振动原理分析，明确引起异常振动的原因，为解决类似汽车振动问题提供了分析方案。

1    汽车振动激励源分析

1.1   路面激励

由于路面不平整引起的整车振动，是汽车外部激励振动的最基本输入，由此对乘客与所装载货物产生的影响，一般用汽车平顺性指标加以评价。路面激励会使汽车产生垂向与纵向等随机振动，这些振动经车轮与悬架等传递至车身，不仅影响行驶平顺性和操纵稳定性，还会影响到车辆的使用寿命[1]。

1.2   发动机与传动轴激励

发动机是引起汽车振动的主要激励源，包括气缸的燃气压力和曲柄连杆机构产生的惯性力等，产生的振动属于周期性振动。发动机正常工作时，气缸燃气压力推动曲柄连杆机构活塞往复运动，经过连杆使得曲轴作旋转运动。

活塞受到的作用力包括气体力和往复惯性力，作用于活塞中心，通过连杆传到连杆轴颈，产生垂直曲柄的切向力和沿着曲柄的径向力，引起扭转振动。由于连杆作平面复合运动，惯性力分析较复杂。一般将连杆的质量换算成两个集中质量，一部分集中于连杆小头，与活塞一起做往复运动;另一部分集中于连杆大头，与曲柄一起做旋转运动[2]。对于四冲程发动机，活塞每上下一次，曲轴完成旋转一圈。因此，完成4个冲程，曲轴需要旋转两圈。每一个单缸发动机，曲轴每转2圈，完成一次燃烧，点火阶次是0.5阶次。所以对于多缸发动机，其激励频率f（Hz）可由如下公式计算：

发动机转轴动力经过变速箱传递到传动轴，如果传动轴不平衡则会产生不平衡力。传动轴不平衡可能是加工精度问题，或者是使用过程产生的几何形变、拧紧零部件松动脱落等原因，破环了传动轴原来的动平衡条件，使得传动轴质心与旋转轴线不重合。传动轴激励频率为：

虽然发动机转速与汽车行驶速度之间存在关联（式3），但转速与车速引起的振动原因却不相同，这是分析汽车振动时要注意的问题。

1.3   车轮激励

轮胎及车轮不均匀也是引起汽车振动的重要激励源。轮胎均匀性指的是在静态和动态条件下，轮胎圆周特性恒定不变的性能，包括轮胎的质量不平衡、尺寸偏差和刚度不均匀，存在不平衡的轮胎在滚动时将会引起它作用在地面上力和力矩的变化[3]。当汽车在路况较好的路面上行驶时且车速较高时，车轮不平衡将取代路面不平，成为引起汽车振动的主要因素。

车轮的不平衡质量在车轮平面内旋转会产生离心力，导致径向与纵向的激振力，使轮胎径向跳动，如果不平衡质量不在轮胎的纵向对称中心平面上，还会产生周期性变化的翻转力矩和回正力矩，引起车轮摆振，影响汽车的操稳性与行驶安全性。车轮激振频率为：

另外，车轮激励频率与传动轴激励频率存在式（5）关系：

上述与车速及转速相关的激励频率公式是分析判断引起汽车振动原因的基本原理。

2    异常振动诊断方法

为解决汽车出现的异常振动问题，需要根据车辆运行时的振动现象，结合道路试验测试若干个关键点的振动特征信息，借助故障诊断流程与分析方法，查找车身等部件上的振动响应的频率组成，按与车速相关还是转速相关进行分类，明确引起振动的激励源，相应采取有针对性的整改措施。

汽车故障分析方法包括传统经验法、故障树法、信号处理小波分析法等[4]。通过动态测试，利用加速度传感器得出汽车相关部件测点的振动信号频谱信息来诊断汽车异常振动，已经成为汽车故障诊断中的主流方法。两类异常振动测试与分析流程如图1所示：

3    某型皮卡异常振动分析

3.1   道路测试

由根据企业反馈以及摸底试车情况，某型皮卡车在车速90-120km/h范围内，车辆出现异常振动，影响汽车舒适性和可靠性。为了查找引起异常振动的原因，进行整车道路行驶试验，测试各个速度段的车辆振动信号，分析不同车速下车身等部件的振动响应情况，明确异常振动的原因[5]。

被测车辆的发动机为四缸四冲程发动机，轮胎型号为265/65R17，滚动半径为0.38m，变速器速比四档为1.000，五档为0.857，主减比为4.875。

按照上述振動分析方法，采用便携式四通道动态测试仪，选用4只单向加速度传感器，各测点具体布置位置如表1所示，4个测点振动频谱信能够反映整车的的基本动态特性。

按测试车辆分别以4档与5档，车速为80 km/h-120km/h在平坦路面上进行道路测试，记录速度变化间隔为10km/h。整车道路试验后对各测点传感器响应进行频谱处理分析，从各测点加速度自谱，分析各峰值所对应的频率，并与车速激励频率和转速激励频率进行对比，为明确异常振动激励源提供指导。限于篇幅，仅列举几幅较有代表性的各测点加速度自谱图，图2-5为两种档位不同车速下的测点加速度自功率谱图。

各测点道路试验最大振幅峰值频率数据及对应仪表盘转速与车速如表2，其他振幅对应频率未在表中列出。

3.2   异常振动原因分析

由于振动只在特定的车速下发生，说明振动与车速有关，分析各测点道路试验最大振幅峰值频率发现，峰值频率之间存在倍数关系，因此认为振源来自发动机、车轮或者传动轴。

按照式（1），根据仪表盘显示的车速或发动机转速，可以计算出近似的发动机激励频率。从测试数据中找出振幅较大且与近似发动机激励频率相近的频率，即为发动机的实际激励频率，进而反算得到发动机实际转速。再由式（3）、式（4）或（5）计算出实际车轮激励频率与传动轴激励频率，如表3所示：

对试验结果进一步分析发现，在试验过程中车速不变换挡后，振动并未消失，说明与转速无关，所以排除发动机激励影响。测点3峰值基本集中在高频段，主要反映发动机影响;测点1频谱分布范围广，在0-120Hz频段内均有分布，因反映测点1受多个激励源共同作用;测点2和4的峰值在40-80Hz之间之间没有分布，与传动轴激励频率不在同一频段，可以排除传动轴激励的影响。

结合各车速下车轮实际转动频率，发现在该频率附近，测点2、4都出现相对较大的振幅，因此车辆异常振动的激励源应是车轮引起。

为进一步明确振动激励源，进行了整车偏频试验和车架模态试验。测试车辆的车轮偏频试验为：前车轮频率为12.25Hz，后车轮为13.63Hz。车架模态试验结果是：车架一阶扭转频率为21.87Hz，一阶弯曲频率为22.96Hz。

上述数据分析表明，车速为110km/h时，车轮振动频率和前车轮偏频基本一致，车架一阶弯曲频率和车轮激励频率倍频接近，从车轮到悬架，再到车架，其相近频率的振动传递路径放大了振动效应，从而导致了车身内感觉到的异常振动。因此可以得出结论：特定车速下，车轮的转动频率与车轮总成偏频同频，振动传递至车架时被进一步放大，导致了车身内感觉明显的异常振动。

为解决或减弱出现的异常振动，可以从车轮和车架两方面考虑。一方面，可以通过改变车架厚度等结构优化方法使一阶扭转和一阶弯曲的频率相互错开，同时避免与车轮激励频率倍频相近;另一方面，精细调整好车轮动平衡，选择轮胎均匀性质量高的型号轮胎。在后续补充更换优质轮胎试验中，异常振动明显减弱，甚至消失，充分说明了分析方法与解决方案的正确性。

3    总结

本文将引起汽车振动的原因归为了两类，即与转速相关和车速相关的两类振动，概要说明了汽车振动的主要激励源，以及分析与测试诊断两类振动的方法，并针对某型皮卡车进行了测试与分析说明，给出了一套分析与解决汽车异常振动的快速简单方案。

参考文献：

[1]M. A. Keshavarz， M. Bayani and Sh. Azadi . Improving Vehicle Vibration Behavior via Structural Modification with Random Road Input[J]. SAE. TECHNICAL PAPER SERIES. 2009-01-2093.

[2]陈曦，袁文文. 基于汽车振动分析的发动机在线转速实验研究[J]. 自动化与仪表，2011，26（1）：6-9.

[3]（美）Thomas D. Gillespie. 车辆动力学，赵六奇等译. 北京：清华大学出版社，2006.

[4]周长城等. 汽车振动分析与测试[M]. 北京大学出版社，2011.

[5]尹可，宋向荣，客车异常振动噪声的分析和控制[J]. 噪声与振动控制，2011，31（4）：102-105.