车辆启动工况下的横摆振动问题解析

时间：2024-06-19

夏罡臻，范朝兵，许早龙

（江西昌河汽车有限责任公司，江西，景德镇 333002）

随着经济水平的提高和交通路况的改善，如何提高乘用车舒适性，增强市场竞争力已成为汽车企业必须面对的重大问题。振动噪声性能是影响汽车乘坐和使用环境的重要因素，它给汽车用户以最直接、最表面的感受。汽车的NVH性能是各大整车制造企业和零部件企业的关注点之一，作为重要的法规和竞争指标在当今产品竞争中愈发显得重要。

车辆启动时刻的NVH性能影响着顾客对公司产品动态品质的第一印象，其噪声与振动的表现将成为顾客选择产品与否的判断之一。本文就车辆启动时的振动问题进行探索，研究造成车辆启动横摆的原因，并找出主要影响因子，然后进行优化设计与测试验证。

1 启动横摆形成机理

当汽车进行点火启动时，起动机通过齿轮传动强迫曲轴旋转，发动机内部的主要阻力矩激励源由气缸内气体压力、运动部件惯性力和系统摩擦力三部分构成[1]。发动机低速运转时气体力矩是主要部分，高速运转时惯性力矩是主要部分，所以在发动机启动过程中，发动机的阻力矩主要贡献成分——气体力矩呈现较大的波动变化。

1.1 惯性力激励分析

图1 惯性力激励分析

图中：φ为连杆摆角，（°）；θ为曲轴转角，（°）；Ω为曲轴旋转角速度，（°）/s；x为主轴颈与活塞销之间的距离，m；λ为曲柄半径r与连杆长度l之比，即：

设

当λ≤ 0. 35时，

因此，一阶、二阶激励力分别为：

式中：F为活塞惯性力，N；m为活塞质量，kg。

活塞的惯性力通过连杆和曲轴作用到缸体上，其方向沿着活塞的轴线并与活塞运动方向相反，惯性力正比于活塞质量和转速ω的平方。主要的惯性力为一阶和二阶惯性力。

1.2 气体压力激励分析

如图2所示，气体压力Fp向下推动活塞，经活塞销、连杆、曲柄销、主轴颈传递给主轴承，它与向上推动气缸盖的力恰好大小相等、方向相反，在机体内达到平衡，且不会传到机外。气体压力作用在缸体上相互平衡；作用到机体上只有转矩xFs。作用在曲轴上的转矩和作用在机体上的转矩方向相反、大小相等。

图2 气体压力激励分析

图中：Fp为气体压力，N；Fs为侧向力，N；x为主轴颈与活塞销之间的距离，m。

起动机与发动机内部阻力矩相互平衡的过程中产生了发动机振动，通过发动机悬置等非线性的弹性元件和阻尼元件传递到车身上，又通过座椅将振动传递到人体，同时车体的动作将给驾驶员留下对位移幅度的视觉印象。

研究在频域上的汽车启动时刻的振动特性，如式（1）所示[3]。

式中：Gin(f)为发动机的输入谱矩阵；H(f)为汽车系统的传递函数矩阵；H(f)为其共轭矩阵；H(f)T为其转置矩阵；Gout为振动输出谱矩阵。

传递函数矩阵H(f)主要由发动机悬置和底盘悬架的系统刚度和阻尼构成。

2 启动横摆影响因素分析

针对该车型启动瞬间横向摆动幅度大的问题（以下简称启动横摆问题），从振动激励源、传递路径、响应等环节进行了研究。各个环节影响因素如图3所示。

图3 影响因素

本文首先对3个影响因素进行了研究：悬置优化、电喷控制策略优化和启动拖拽转速优化。

2.1 悬置对启动横摆的影响分析

该车型发动机为纵向布置，3点式悬置支持。悬置的作用除了支撑、限位外，还应满足减振、避频、刚体模态解耦等会更进一步影响整车NVH品质的性能要求。发动机悬置结构如图4所示。

图4 发动机悬置结构图

发动机悬置的布置位置与刚度共同影响动力总成6个方向的自由模态，设计原则上要求该6个模态解耦，但实际产品中无法达到6个方向都100%解耦，通常行业内推荐85%以上解耦。

根据动力总成及悬置刚度等参数，在ADAMS中搭建动力总成仿真模型并进行模态解耦计算[2]。仿真结果显示，发动机刚体Lateral模态与Roll模态耦合，解耦率均为50%左右，结果见表1。为改善动力总成模态解耦情况，调整左、右两个悬置支架的安装角度，使两个悬置的弹性中心能更接近动力总成的主惯性轴线。优化后的发动机模态解耦结果见表2。

表1 原型车发动机模态分布情况

表2 优化后发动机模态分布情况

将优化前后的悬置装车并进行实车NVH性能测试，结果见表3。

由于发动机刚体模态分布及解耦得到了改善，且Roll方向的刚度增加，所以对悬置安装角度的改变能明显地改善该车型的启动横摆问题。但由于安装角度的变化导致Roll方向刚度增加，所以隔振效果会下降，横向振动转移至其它两个方向，启动横摆得到改善，但匀速工况等振动表现不如原型车。

主观驾驶评价结果与客观测试方向一致，认为优化后的方案二在启动横摆控制方面更好，但隔振性能不如原方案。考虑到车辆日常行驶过程中的匀速及加速工况远比启动工况多，因此调整左、右两个悬置支架的安装角度的方案不可取。

2.2 电喷策略对启动横摆影响分析

车辆ECU模块储存着应对不同工况下的发动机喷油策略，策略中缸内火花塞点火时刻与喷油量的大小都对发动机产生的转矩有着重要影响。

电喷策略对启动工况的控制分为4个阶段：拖拽、判缸、点火和判断启动成功与否[4]。

分别对电喷策略中的几个影响因素进行修改，验证其对车辆启动横摆的影响情况，结果见表4。

表3 悬置支架角度优化前后车内振动对比

表4 电喷策略对启动横摆的影响

研究结果表明，针对该车型，电喷策略中的喷油量和进气量都对启动横摆问题影响较小，此外，点火时刻对启动横摆问题也有一定影响，所以电喷策略不属于主要影响因素。

2.3 拖拽转速对启动横摆影响分析

拖拽转速为起动机通电情况下与发动机扭转阻力平衡后的发动机曲轴转动速度，起动电机的功率及发动机缸阻等参数将决定拖拽转速的大小。

对4缸发动机点火频率的计算公式为[5]：

式中：f为发动机点火频率，Hz；n为发动机曲轴转速，r/min。

通过监测电喷数据得到该车型发动机的启动拖拽转速为260 r/min，拖拽过程中峰值转速为300 r/min。

根据式（2）计算得到发动机点火频率为8.7～10 Hz，即起动机拖动曲轴转动阶段发动机对车身的输入频率。通过借助LMS test lab测得座椅导轨处的横向振动加速度曲线，并对其进行FFT转换，得到的频域横向加速度曲线[6]如图5所示。由图可知，横向振动的主要频率为8.8 Hz，与理论计算值相符，在7.3 Hz时存在一个次共振峰值，该车横向摆动有7.3 Hz和8.8 Hz两个固有频率。

图5 座椅导轨横向加速度FFT图

为研究两个固有频率的敏感程度，将拖拽转速降至250 r/min，测得座椅导轨处的横向振动加速度曲线，并对其进行FFT转换，得到的频域横向加速度曲线如图6所示。由图可知，横向振动的主要频率依然为7.3 Hz和8.8 Hz，但最大振动加速度幅值降低26%。

图6 拖拽转速250 r/min时的座椅导轨横向加速度FFT图

继续降低拖拽转速至220 r/min，此时发动机点火频率激励应为7.3 Hz，测得座椅导轨处的频域横向加速度曲线如图7所示，横向振动的主要频率仍为7.3 Hz和 8.8 Hz，最大振动加速度幅值降低40%。综上所述，3次变更拖拽转速试验，可分析得出该车辆具有7.3 Hz和8.8 Hz两个固有横向摆动频率，且8.8 Hz的固有属性更为敏感。

图7 拖拽转速220 r/min时的座椅导轨横向加速度FFT图

通过改变发动机拖拽转速，能够有效地改善该车辆的启动横摆问题。当发动机拖拽转速为260 r/min时，座椅导轨处横向加速度最大，随着发动机拖拽转速的降低，座椅横向加速度大幅减小并趋近一个稳定的幅值。

由表1可知，仿真得出的理论发动机Rol（x）模态频率为7.6 Hz，而理论仿真未考虑橡胶阻尼，所以初步判断7.3 Hz系统模态即为发动机绕x轴的横摆模态。而系统中存在的另外一个8.8 Hz横摆模态，初步判断为整车与底盘悬架构成的Roll（x）刚体模态。通过降低发动机启动转速使二阶气压力矩波动频率降低，避开了对系统更为敏感的8.8 Hz横摆模态，从而有效地控制了车辆启动工况的整车横摆幅度。