基于工况传递路径的方向盘振动贡献量研究

倪晋挺

(安徽机电职业技术学院 汽车与轨道学院，安徽 芜湖 241002)

在汽车的前期开发过程中,车内噪声和振动是评价车辆舒适性的重要指标之一。通常来说，动总激励引起乘员舱内的结构噪声和振动，其通过悬置、进气、排气等传递路径叠加贡献而成，而动总表面、进气口、排气口等噪声源产生的空气噪声则通过钣金缝隙、密封堵件等路径传递至车内。因此，为了获得较好的整车NVH性能，需要研究各个路径的激励大小和传递路径的贡献情况，并针对研究分析的结果采取有效的处理措施[1-6]。

传递路径分析(TPA)方法是非常有效的方法之一。通过TPA研究，能够找出对驾驶舱内的振动噪声贡献比较突出的路径。通过控制和改进这些路径的激励力或传递特性，使车内噪声满足预定的产品开发目标。传统TPA虽然精度相对较高，但需要进行传递函数及识别载荷，测试工作繁琐[7-12]。而工况传递路径(Operational Transfer Path Analysis，OTPA)只需要采集运行工况的响应信号，具有便捷快速的优点。

文中旨在利用OTPA原理，运用LMS数据采集系统及LMS Testlab软件测试方向盘及传递路径的振动频域信号，采用LMS后处理模块进行方向盘振动合成，对各传递路径贡献量进行分析，识别得到方向盘振动的主要贡献路径，并对贡献较大的路径进行验证。

1 TPA方法的基本原理

1.1 传统TPA方法

传统TPA方法是假设汽车系统是线性不变的，即车内关注位置的噪声或振动等于对应工作工况下，各激励源以工作载荷激励时从不同的传递路径传播到车内的能量的叠加[4]。传统TPA的理论分析公式为

(1)

传递函数的测量需要把主动部件拆除，避免与待测系统发生耦合。然后通过力锤或激振器对各传递路径的连接点进行激励，分别得到各个路径激励位置附近的局部振动响应及目标位置的传递函数响应。

传递路径上的载荷获取可通过直接法、悬置刚度法及逆矩阵法获取。用直接法获取的力最为准确, 但通常由于力传感器安装困难, 所以应用较少。实际工程中，经常用的是悬置刚度法及逆矩阵法，其中，以逆矩阵法应用最为广泛。逆矩阵法获取某一个传递路径，工作工况下的激励载荷是通过各传递路径连接点的响应ui(ω)乘以传递函数矩阵Hij(ω)的广义逆矩阵,识别得到连接点的激励载荷Fi(ω)，表示为

(2)

由于通常情况下并不能保证传递函数矩阵绝对的满秩,所以式(2)中*表示求取矩阵的广义逆。在获取传递函数矩阵及连接点的工作载荷后，即可运用式(1)，得到关注位置的传递路径贡献量结果[9]。

1.2 工况TPA(OTPA)方法

OTPA与传统TPA重要的区别在于：OTPA不需要进行传递函数的测量，也不需要进行单独的载荷识别，可以直接使用运行工况下的测试数据。因此，不需要进行车辆的拆解，工作效率较高。

OTPA方法基于传递率计算的准则，将目标点响应表示为不同路径连接点位置的响应组合形式[13-14]

(3)

信用部的主要职责是：确保销售合同中的权利与义务条款符合法律规定以及公司要求，同时核对金额，查看是否有重大事项的遗漏；在合同执行过程中，进行全面跟踪，看双方是否按照合同要求严格执行；收集客户信息，建立并备份客户档案，调查客户资信情况；根据客户资信情况制定相对应的信用政策；对客户信用科学评分，根据评分对客户信用分等级，根据不同等级制定不同的信用额度，综合评估客户，并进行后续跟踪；在需要通过法律途径回收账款时，提交有关合同文件配合相关工作。

传递率通过式(3)得到，以结构振动传递部分为例说明如下：

Yk={T′}·{a}⟹{Yk·a′}={T′}·(a·a′)⟹

{T′}={Yk·a′}·{a·a′}-1.

(4)

由此可见，传递率函数可求解的条件是自功率谱矩阵{a·a}-1可逆。因此，自功率谱矩阵必须是满秩矩阵。为了避免矩阵奇异，获得振动响应矩阵{a}的各行向量应互不相关，才能完成奇异值分解，进而得到各路径的传递率是解耦的，即运行工况的数量应该大于等于目标响应点的点数[14-15]。

OTPA分析方法相对于传统TPA，由于只需要采集工作工况的数据，因此，可以大大减小测试时间。但OTPA分析方法存在以下缺陷，例如识别精度不如传统TPA分析，有可能存在关键传递路径未被识别的情况，或者不同传递路径之间存在耦合，导致叠加合成的目标点响应存在差异，使分析结果不准确。

因此，在利用OTPA进行运行工况分析时，需要对运行工况下各传递路径叠加的响应与测试目标点的响应进行对比，确保合成结果与测试结果差异在可接受范围，进而保证关键贡献路径识别的正确性。

2 OTPA方法的应用案例

某AT车型动力总成为4缸发动机，悬置系统采用三点悬置，发动机怠速设计转速为(750±30) r·min-1。在怠速工况、空调开启状态下，车辆处于P档、D档及N档状态的情况下，方向盘均出现明显的振动，比较恶劣，主观评价难以接受[16]。

图1 方向盘振动(依次为X，Y，Z方向)

根据怠速工况下发动机的设计转速可以计算得到发动机2阶激励的频率为24～26 Hz、4阶激励频率为48～52 Hz、6阶激励频率为72～78 Hz，激励频率与转向系统X向及Z向的振动峰值频率接近，因此，可以判断转向系统X向及Z向的振动峰值是由发动机的主阶次激励导致的。但方向盘Y向在36 Hz的振动峰值，远离激励发动机的主阶次激励频率，因此，与发动机主阶次激励关系不大。

根据工程经验，初步判断方向盘Y向在36 Hz的振动峰值很有可能与冷却风扇激励有关。通过测试发现，上述运行工况下，冷却风扇的转速为2 040 r·min-1，如图2所示，其对应的工作基频为34 Hz，考虑到冷却风扇工作电压波动会引起转速小范围变化，可以判断是冷却风扇激励，与方向盘Y向在36 Hz的振动峰值相关。

图2 冷却风扇的工作转速

以方向盘Z向振动为例，通过OTPA方法，排查引起方向盘Z向怠速振动偏大的关键路径。根据OTPA方法的原理，将三向加速度传感器布置在悬置、排气管吊耳、冷却风扇等车身侧位置，详细测点布置描述如表1所示(由于传感器数量限制，仅布置靠近发动机附近的排气吊耳)。

表1 传感器布置位置

车辆的运行工况为怠速工况，分别测试不同的档位状态(P档、D档及R档)，测试工况及详细描述如表2所示。

表2 测试工况说明

由于OTPA分析方法的缺陷性，首先需要将各传递路径合成的振动响应结果与方向盘Z向的振动响应进行对比，确保二者差异在可接受范围。

车辆处于D档，空调启动(AC ON)状态，方向盘Z向振动测试结果与通过OTPA方法合成的振动响应对比结果如图3所示。从测试结果来看，方向盘Z向测试结果与OTPA合成结果基本一致，可以对此进行下一步贡献量分析。

图3 方向盘Z向振动测试与OTPA合成结果对比

利用LMS Testlab软件，对各贡献路径上的合成振动响应结果进行贡献量分解。由图4可以看出，怠速工况下对方向盘Z向振动的传递路径进行分析，贡献量最大的传递路径是发动机悬置，其次是排气管吊耳。此外，冷却风扇及冷却管道在车身的安装点，对方向盘Z向振动也有一定的贡献。

图4 方向盘Z向振动贡献量分析

确定贡献路径后，可以从发动机悬置及排气吊耳两个贡献较大的路径入手，从悬置安装点的车身结构、排气吊钩的模态、悬置及排气吊耳的隔振特性等进行研究。经过优化处理后，对测试车辆进行主观评价，怠速工况、空调开启、换挡机构处于D档状态、方向盘Z向振动得到基本解决，可以满足产品开发要求。

3 结 论

1)对传统传递路径及工况传递路径分析方法的原理、方法及优缺点进行介绍。OTPA分析方法与传统的传递路径分析方法相比，测试过程简单方便，大大提高了工作效率。

2)针对某车型出现的方向盘怠速振动问题进行工况传递路径分析，找到了怠速振动的主要贡献路径，并通过改进措施解决了该问题。