汽车NVH技术解决发动机起动时的车体振动

从起动机起动，到发动机开始工作时的状态如图2-1所示，可以描述为以下几个阶段。

图2-1 发动机起动过程

①起动机带动发动机旋转，发动机点火燃烧，产生转矩，并由起动机转矩向发动机转矩切换，此时有冲击力产生。

②发动机开始工作，随着发动机转速的提高，转矩发生变动。

③发动机转速在设定怠速位置固定，转矩变动也趋于稳定。

首先来讨论从①到②这个过程中起动转矩的变化。

发动机的最低起动转速因发动机的不同而有着很大的区别，小型、高速、多气门发动机一般来说比较高，如下所示。

●四冲程汽油机：60～100r/min

●直喷式柴油机：100～150r/min

●预燃式柴油机：60～100r/min

发动机的旋转抵抗转矩T_E（N·m）、气缸内的压力以及各个运动副之间的摩擦力有很大的区别。压缩力随着冲程容积L（L）和压缩比的增大而增加。摩擦抵抗力由发动机的构造、气缸容积、润滑油的粘度等参数决定。在低温时，润滑油粘度高，则旋转抵抗力就大，发动机起动困难。而发动机的容积则大体有以下的关系式存在

T_E∝ Lⁿn≈0.7

另外，要求发动机能保证起动的最低温度是-15℃，而对于极寒冷地区则要达到-35℃。起动机的输出力P及转矩T_s可以按照下式计算

式中，N为发动机旋转速度（r/min）；i为减速比；η为小行星轮和环形齿轮的传递效率（≈0.9）。

发动机起动时的振动状态是受起动机的驱动转矩控制的，起动条件虽然各有不同，但是向车身传递的驱动反力一般都很小，所以不会造成问题。当然，起动机起动到发动机开始工作过程中，乘员很容易就能感受到转矩的变动。

以轿车的起动为例来说明发动机起动、停止时的动力总成、车身等的振动状态。起动点火开关，经过约1s之后，发动机的转速稳定在怠速转速上，期间在0.4～0.5s前后，发动机转速瞬间升高，车身的振动加速度也瞬间变大。对测试数据进行频率分析，可以发现振动的主要成分是10Hz左右的低频。而对其他部位振动的测试结果分析显示，它包含了动力总成的旋转模态和车身的旋转+扭转模态，如图2-2所示。

图2-2 发动机起动时的车身振动

从以上分析过程可以知道，发动机起动时，发动机的旋转速度从零到设定怠速的上升过程中，经过了动力总成的振动模态，因此引起了动力总成及车身的强烈振动。(www.xing528.com)

发动机起动过程中，支配车身振动的最主要的影响因素是动力总成的旋转模态。车身的扭转模态受动力总成旋转模态的耦合作用，引起了车身左右方向的振动模态。

在上面的例子中，可以确认的振幅增加的频率如下所示：

动力总成旋转模态：约10Hz。

车身旋转+扭转：8～10Hz。

车身旋转+左右：6～10Hz。

由于发动机本身在上述频率范围内有固有的刚体模态，所以，在设计时应该对以下三点进行重点论证。

①动力总成的旋转固有振动模态如何设定。

②动力总成和车架的振动耦合如何控制。

③动力总成和车身的振动耦合如何控制。

特别是第①项动力总成旋转振动模态频率，它是受动力总成悬置设计影响的。动力总成

的旋转模态多数设置在10～12Hz。而在动力总成悬置设计时，一般以下两点要特别注意。

①对于怠速转速以上的常用转速范围，需要控制发动机激励力中的旋转成分向车身的传递。

②起动时为了控制过渡转矩造成的发动机的运动幅度，需要确保一定的刚度。

对于要求①，一般4气缸发动机应用的比较多，但是对于其他缸数的发动机的非调谐成分激励，同样需要认真对待。实际上，除了旋转模态以外，动力总成在其他方向上还有着不同的刚体模态，发动机起动时，这些刚体模态也有可能产生耦合振动。因此，也需要加以考虑。以下是一款动力总成刚体模态的设计案例。

（实例） 左右运动 上下跳动 侧倾 俯仰 横摆

6.5Hz 8.0Hz 10Hz 16.50Hz 3.5Hz

发动机起动时车身的振动是对乘员的座椅加以评价，而评价采用的物理量一般是加速度。发动机起动时的加速度成分中，上下方向振动的贡献量很小，只需评价左右成分即可。另外，发动机起动时，从起动到怠速的过程中，大约有1s的过渡振动，起动1s以后的振动加速度的时间变动，多是以振动的峰值来评价。

图2-3为一实际的测试结果。A为不良，B为勉强达标的水平。如果设定目标值，在起动后1s内车身左右振动的加速度峰值为小于4m/s²。

图2-3 发动机起动时车身振动的对比