汽车NVH性能开发：发动机激励引起的振动现象

发动机作为主要的激励源之一，会引起很多振动噪声问题。不同类型的发动机激励形式不同，运转工况不同时激励也是不同的。

动力总成的传递路径主要是悬置、排气吊挂，另外，一些线束、管道也可能成为传递路径，如空调管路，燃油管路等。传递路径对振动的传递和衰减性能是不同的。如悬置是动力总成的主要传递路径，排气吊挂、线束、管路等的贡献非常小，但是也不排除特殊情况。

对于惯性主轴式悬置布置方案中，通常左、右主悬置是主要的传递路径，而前、后悬置的主要作用是缓冲动力总成摆动时的冲击。但是如果悬置设计得不合理，如动力总成刚体模态过高，或者悬置的位置不当，那么前、后悬置也可能成为主要的传递路径。

即使是同一个悬置，不同方向上的隔振效果也是不同的。如左、右主悬置的Z向是主要传递路径，前、后悬置的X向是主要传递路径。因此，在设计悬置系统时，要重点关注主要传递方向。

1.起动时振动

发动机点火起动时的冲击力大、作用时间短，通常在0.2s内即可以达到稳定转速。悬置系统能否在这么短的时间内吸收掉动力总成的冲击激励，是考察悬置系统隔振性能的主要指标之一。

如果悬置系统的缓冲效果不理想，通常就会发生起动时车身抖动的问题。具体表现为在点火的一瞬间，车身前后、上下方向振动。图3.1.11所示为前后方向振动，图3.1.12所示为上下方向振动。

图3.1.11 车辆起动时前后方向振动

车辆起动时出现过大幅度的窜动现象的主要原因是发动机转速波动过大造成的。图3.1.13所示为起动的瞬间发动机转速波动。

从图3.1.13中可以看出，大约在0.08s时刻，发动机的转速突然出现变化，瞬间由700r/min降低到550r/min，正是由于这个转速的大幅度波动，带来了变速器输出转矩的变化，从而引起车辆抖动。

解决起动时车辆抖动问题的有效手段是调整离合器的扭转刚度，确保发动机转速和变速器输出转矩不出现过大的波动。

2.怠速振动

（1）怠速振动现象

发动机处于工作状态，车辆处于静止状态，如等红绿灯时，所发生的车身振动为怠速振动。如图3.1.14所示，乘员感受到的主要是转向盘、座椅、地板、变速杆等处的振动。

发动机空转时称为怠速。在发动机运转时，完全放松加速踏板，这时发动机就处于怠速状态。发动机怠速时的转速被称为怠速转速。怠速可以通过调整节气门怠速通道开度大小等来调整其转速高低。

图3.1.12 车辆起动时上下方向振动

图3.1.13 起动时发动机转速波动

图3.1.14 怠速振动

发动机怠速还可分为带载和不带载工况。带载是指打开空调，不带载是指关闭空调。另外，自动变速器汽车变速杆可处于D位、P位、N位和R位。手动变速器汽车只能处于空档。

怠速振动严重影响汽车的NVH性能评价。顾客对怠速振动感受明显，轻微的振动都会被敏感地感受到，严重时会影响乘员健康和驾驶安全性。

（2）怠速振动发生原理

怠速振动是由发动机的爆发压力及不平衡惯性力引起动力装置振动，通过发动机悬置传递到车体而引起的低频（10～30Hz）车体振动。这个振动因发动机的缸数、类型、发动机搭载状况、车体构造等因素而不同。也就是说，这是由以发动机为激振源，以支撑动力装置的发动机悬置为传递系统，以车体骨架、地板和转向盘为放射系统的三个部分构成的，如图3.1.15所示。

图3.1.15 怠速振动发生原理

怠速振动的激励源主要来自于动力总成。动力总成的激励因类型、布置方式等而有所不同。一般来说，6缸发动机要比4缸发动机的激励要小，而且更加平稳，激励的波动很少。而3缸发动机从结构上就决定了它的激励更差，对悬置系统的匹配要求更高。

悬置系统是主要的传递路径，有时排气吊挂也可能占据较大的贡献。悬置对振动的衰减能力直接影响车身的振动。悬置的衰减指标要求不低于20dB，即主动侧（发动机侧）振动传递到被动侧（车身侧）后，振动应该衰减10倍以上。为了达到这个目标，需要对动力总成的刚体模态、解耦率等进行详细的分析。

怠速振动最终表现为转向盘、地板、座椅、变速杆的振动，严重时整个车身都在抖动。车身的模态一般为25～30Hz，恰好处于发动机怠速激励范围内。转向盘的模态也与怠速激励较近，有些车约为30～35Hz。因此，在发动机怠速激励的作用下，转向盘模态被激励起来，或者车身被激励起来，并带动转向盘振动。

（3）怠速振动评价方式

怠速振动的评价方法包括主观评价和客观测试。首先应该进行主观评价，确定是否存在怠速振动。一般来说，如果肢体感受不到振动，那么就可以确认怠速工况下车身的振动是在可接受范围内的。如果能够感受到明显的振动，特别是转向盘，那基本上可以断定存在怠速振动问题。严重时能够感觉到整个车身都在抖动。

实验要覆盖所有的怠速工况，开、关空调，自动变速器汽车的D位、P位、R位、N位。通常D位最容易出问题。

图3.1.16为怠速振动主观评价示意图。实验时，首先要保证发动机处于怠速工作状态，冷却液温度、油温达到正常水平。实验者坐在车内的驾驶席或者乘员席，认真感受车身的振动，如整个车身、转向盘、地板等处。实验时应该由多人同时进行，各人按照实验规范要求填写各项分数，并记录发现的问题。最终的得分为多人打分的平均值，以消除误差。

图3.1.16 怠速振动主观评价

通过主观评价确定存在问题以后，还要进行客观测试，以便详细分析。分析振动频谱，查看振动峰值频率和幅值，以查找问题的原因。

测试时，通常测试转向盘、座椅导轨、地板等处的振动。图3.1.17所示为怠速工况下转向盘12点位置振动测试结果。图中的实线为总值（Overall），虚线为二阶成分。横坐标为发动机转速，纵坐标为振动级，参考值为g（9.8m/s²）。

本例中，怠速额定转速为800r/min，从测试结果中可知，800r/min处的振动级约为-22dB，高于目标值-25dB。另外，还可以得知，二阶成分占主要贡献，从而可以断定主要激励来自于发动机。

（4）怠速振动的模拟方法

为了在产品开发阶段就能对怠速振动加以预测，从而考察风险点，提前采取解决措施，人们采用了多种方法对怠速振动性能进行了模拟。其中矢量合成法应用最广。详细的模拟方法请参考有关章节。(www.xing528.com)

图3.1.17 怠速时转向盘振动测试结果

怠速振动计算最重要的是如何获得实际激励。通常有如下几种方法：

①直接测试发动机缸压，通过专用软件计算得到转矩和惯性力。

②直接测试发动机转矩和惯性力。

③利用动刚度法测试悬置、排气吊挂的传递力。

④利用逆矩阵法测试悬置、排气吊挂的传递力。

得到实际激励以后，再利用CAE方法算出振动传递函数，然后就可以利用矢量合成法得到车身的振动。图3.1.18所示为怠速工况下转向盘12点位置Z向振动计算结果。

图3.1.18 怠速振动（转向盘振动）的模拟结果

（5）怠速振动的改进方法

前面介绍过，所有的NVH问题都可以划分为三个系统，激励源、传递路径和接受体。怠速振动也如此。因此，解决怠速振动要从这三个系统分别想办法。

要降低发动机激励，人们尝试了各种方法。如提高发动机的性能，确保发动机本身发出来的激励更小。有时候做动力总成对标实验时，将两台汽车摆在一起，使它们都工作在怠速工况下，可以明显地发现两台车所有发动机的区别。发动机做得好的话，甚至感觉不到发动机在动。

另外，还可以在发动机的结构设计上采取措施去降低激励。如6缸发动机比4缸发动机要工作平稳，而3缸发动机则具有天生的不平衡。有的发动机上设计了专门的平衡机构，来平衡不平衡力。最常用的是设计一套平衡轴。

传递路径的隔振性能是最重要的指标。动力总成刚体模态分布、解耦率、侧倾（Roll）模态等都是影响隔振率的重要参数。

模态规划是避免怠速振动最有效的手段。确保车身弯曲模态、转向盘模态与怠速激励避开，是设计时最基本的指标。

最近，有人尝试采取主动控制方法来控制怠速振动。主动控制是指在振动系统中植入一个主动振动模块，利用检测到的原振动系统的信号，激发相位相反的振动，抵消原系统的振动。

图3.1.19为主动控制系统原理图。两种控制系统的主要区别是识别信号来自于哪个阶段。如果在结构体之前采取输入信号，则称为前馈控制系统。如果采取结构受到激励产生的响应信号，则称为后馈控制系统。

图3.1.19 主动控制系统

图3.1.20所示为怠速振动主动控制分析用模型。分析时，需要做如下几点假设。

①发动机是刚体系统，作为单自由度系统的Mass（惯性质量）起作用。

②发动机悬置的刚性与衰减是线形的。

③用单自由度系统考虑车体。

当传感器检测到系统的振动信号时，会发出一个激励，使子系统产生一个振幅相等、相位相反的振动，抵消原系统的振动，实现降低振动的目的。

3.行驶时的振动

车辆在路面上行驶时，所受到的激励非常复杂，既有动力总成激励，也有路面激励，以及空气与车身摩擦产生的激励。如果单独考察动力总成激励，那么和怠速激励不同的是，发动机激励与转速相对应，呈现高频特性。

发动机激励频率随着转速的上升而加大，并和阶次相关。如果是四缸发动机的二阶激励，最高可达200Hz（发动机转速6000r/min）；如果是四阶激励，那么频率将更高。

对于行驶过程中车辆的振动主观评价，主要是关注以下几个方面。

①振动级别随着车速的变化。一般来说，这个变化应该是呈现线性关系的，即随着车速的提高，其振动幅值也是不断加大的。

②相对于路面粗糙程度的振动响应变化。越是粗糙的路面，所带来的振动也是越大的。

图3.1.20 主动控制系统分析模型

③相对于起伏路面振动响应变化。起伏路面的激励频率低，所引起的车身振动、动力总成振动呈现低频特性。

④动力总成刚体模态、路面凸起等引起振动的瞬间响应峰值。

⑤一些特定振动现象是否发生，如制动抖动、转向盘摆振等。

⑥总体上振动感受的评价。

详细内容如图3.1.21所示。图3.1.21a为实验方法示意图，图3.1.21b为振动主观评价与客观测试之间的对应关系。通过量化主观评价结果，可以更准确地描述振动。

图3.1.21 行驶振动主观评价方法