汽车怠速间歇性异常抖动研究
摘 要：汽车在怠速工况，间歇性异常抖动会严重影响驾乘舒适性。针对该问题，对车辆的振动特性、转速波动和发动机内部燃烧参数进行了全面测试。基于间歇性异常抖动特征对发动机的转速波动、进气压力，喷油量和点火提前角进行了详细的对比分析。综合利用时域分析、频谱分析和角度域分析相结合的方法来识别异常抖动原因。研究表明，发动机内部的进气压力，喷油量和点火提前角控制不稳定，在一段时间内波动较大，引起发动机瞬态转速的波动，进而引起车内的一阶异常抖动的间歇性变化。建议对发动机燃烧稳定性进行优化来改善该问题。关键词：间歇性抖动；转速波动；进气压力；喷油量；点火提前角汽车行驶在城市道路时，怠速工况时间占整车运行时间的比例高达30%。且该比例随着交通拥堵的加剧而在继续增大。而汽车怠速工况下的振动特性对车内主观体验有非常明显的影响。通常可以通过传递路径和激励源两个角度着手来研究汽车NVH[1]。汽车是一个非常复杂的系统结构，包含多种振动噪声激励源，每种激励源会通过多个路径，传递到响应点，传递过程中会经过系统的衰减作用。由于传递路径的复杂性和多样性，为了显著降低响应点处的振动噪声幅值，对激励源的优化才是最有效的办法。如果能大大减小激励源，那么整车的NVH性能就可以有明显的提升。汽车振动噪声主要包含三部分：动力总成噪声、轮胎噪声和风噪声。作为主要动力部件的发动机，提供的动力会存在周期性的波动，该波动会对整车产生激励力。对于最常见的四缸发动机，因各缸燃烧而带来的二阶激励是其最主要的激励成分。因此，正常整车上最主要的振动噪声应为连续性的二阶成分。当发动机工作状态出现异常，可能会产生异常的0.5 阶或1 阶振动，甚至其幅值还会时大时小，产生间歇性。因为其频率相对较低，人体对低频振动更加敏感，所以这会极大影响车内乘客的驾乘体验[2]。本文针对整车怠速工况出现的异常抖动问题，基于时域分析、频域分析和角度域分析相结合的方法[3]-[5]，首先对整车怠速异常抖动现象进行诊断分析，同时分析发动机的曲轴瞬态转速波动。然后针对影响发动机燃烧性能的进气压力，喷油量和点火提前角分别进行研究，通过抖动明显工况和抖动不明显工况的对比，明确燃烧控制参数的差异性，为后续优化设计提供指导方向。首先对整车怠速振动特征进行试验分析，采用振动加速度传感器测试车内座椅导轨处的振动，如图1 所示。座椅上的振动代表车内振动水平，人体可以直接感受到。此外，由于发动机的输出转速在很大程度上反映发动机的燃烧性能，所以在试验中同时测试了发动机曲轴的瞬时转速，据此来判断发动机燃烧是否稳定。试验过程中，为了测试正常怠速工况，首先要热车，监测发动机水温达到90 度以上。其次检查冷却风扇状态，确认风扇不开启，以便排除风扇振动的影响。然后基于专业数据采集系统和采集软件进行振动测试，对怠速工况的振动信号进行采集。为了反映整车在一段时间内的怠速稳态振动水平，测试时长为30min。测试人员坐在车内，采集客观数据的同时进行主观评价。测试人员主观评价过程中，感受到车内低频振动波动较大，在不同时间段，振动有明显区别，时而明显，时而不明显。即存在低频间歇性抖动。分别截取车内座椅处抖动明显和不明显的时间段数据进行频谱分析[6]，如图2 所示。被测车辆的怠速转速为680 r/min，可计算得到其转动基频为11.3 Hz。由图2 可知，不同时间段内，发动机1 阶振动波动较大，抖动明显时1 阶振动幅值是抖动不明显时的1.5倍。与此可知，车内乘客感受到的间歇性抖动主要由1 阶振动的波动而引起。针对图2 中车内抖动明显和不明显的时间段，提取同步采集的发动机曲轴瞬态转速信号，并通过频谱分析来表征其波动特征。如图3 所示。由图3 可知，车内抖动不明显时，发动机1 阶转速波动较小；而车内抖动明显时，发动机1 阶转速波动较大，是抖动不明显时1 阶转速波动的2.25 倍。根据以上分析可知，车内乘客感受到的间歇性抖动是由于发动机1 阶转速波动不稳定引起的。所以需要重点分析发动机的燃烧稳定性。在整车振动和发动机转速波动的测试过程中，同步测试了发动机的进气压力和四缸点火信号，同时结合CAN 信号，可以对决定发动机燃烧性能的进气，喷油和点火特性分别进行深入分析。上一节分析表明，车内1 阶振动不稳定，在一段时间内波动较大。因此将试验采集的30min 内，座椅振动的一阶信号提取出来。同时对比发动机的进气压力信号进行分析，如图4 所示。图4 表明，在采集的约30min内，车内座椅1 阶振动和发动机进气压力信号均不稳定，存在明显的波动。值得注意的是，车内1 阶振动幅值随进气压力的增大而增大，随进气压力的减小而减小。在进气压力分别出现峰值和谷值的时刻，车内1 阶振动也分别出现相应的峰值和谷值，说明进气压力的波动对车内1 阶间歇性抖动有明显关联。进气压力的变化一般会随之引起喷油量的变化。针对图2 中车内抖动明显和不明显时间段，提取基于整车CAN 信号同步采集的发动机喷油量信号，时间长度为20s，如图5 所示。根据图5 计算平均喷油量。抖动不明显的时间段平均喷油量为0.6L/h，而抖动明显的时间段平均喷油量为0.65L/h，比抖动不明显时增大了8%。同时也说明了喷油控制不稳定，存在波动。点火提前角是影响发动机燃烧性能的另一重要参数。针对图2 中车内抖动明显和不明显时间段，提取出同步采集的发动机四个缸的点火控制电压信号。基于曲轴信号盘的缺齿信号，可以将点火控制电压转换到角度域。四缸发动机每个循环两转720 度，以第一缸上止点为零度原点。每个循环中依次有四个缸的点火控制信号。根据各缸的点火电压与其上止点之间的角度即可计算出点火提前角。首先对比抖动明显和抖动不明显的两个时间段内的点火信号，如图6 所示。很明显，抖动明显的工况与抖动不明显的工况对比，点火时刻有明显推迟，也就是点火提前角明显减小。说明这两个工况发动机的点火控制有明显差异。针对抖动明显和不明显的两个工况，分别统计20s 内同一缸的点火提前角，如图7 所示。可以发现，抖动明显的工况，点火提前角更分散，波动量明显偏大。四缸点火提前角的平均值和波动方差如表1 所示。表1 表明，抖动明显的工况，点火提前角均值更小。波动方差更大，是抖动不明显工况的3 倍，说明发动机点火提前角控制不稳定，对整车的间歇性抖动贡献明显。整车出现一阶间歇性异常抖动，是由发动机控制不稳定引起的。在一段时间内，发动机的进气压力波动较大，喷油量不稳定以及点火提前角的波动较大，会导致其燃烧性能不稳定。进而使发动机输出转速波动增大，对整车产生不稳定的激励。在一段时间内发动机激励的波动变化，便会引起车内的间歇性抖动，严重影响主观感受。建议优化发动机的燃烧稳定性，以此来改善间歇性抖动的问题。作者单位：（上海汽车集团股份有限公司技术中心整车集成部，上海 201804）免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-15
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