某 MPV 地板加速振动优化与控制
摘要：针对某 MPV 车型开发过程中出现的地板加速 3 560 r/min 时振动过大的问题，对振动传递路径进行分析，并对地板及传递路径零部件进行振动数据采集，通过频谱分析确认振源为发动机二阶激励振动，传递路径是传动系统右驱动轴子系统。进一步对右驱动轴系统进行模态测试与分析，确认振动频率为已经实施单级动力吸振器的驱动轴系统二阶模态频率。在地板及驱动轴零部件结构无法更改的情况下提出了双级动力吸振器的改善方案，对比分析了单、双级动力吸振器数学理论模型，根据优化目标设计双级动力吸振器参数，并对优化前、后系统的频响函数进行仿真计算，预判了优化方案的有效性。最后试制样件，并搭载问题车辆进行对比测试，结果表明，地板振动问题得到明显改善，且证实了仿真结果的准确性。关键词：振动传递路径；频谱分析；模态测试；动力吸振器；频响函数；MPV随着汽车的普及和汽车市场的激烈竞争，以及人们对环境、健康的要求不断提高，汽车的舒适性和声品质也越来越受到消费者和汽车厂商关注，也就是汽车的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness, NVH）性能[1]。汽车加速振动问题通常是由发动机激励频率与各系统零部件模态频率耦合产生共振，使得振动响应被放大并传递至车内被乘员感知从而引起不舒适感。地板是车内乘员双脚直接接触的零部件，地板的振动可以被乘员直接感受到，对车辆驾乘舒适性体验及品牌质量均产生负面影响，因此，对汽车地板进行振动控制研究具有重要意义。侯锁军[2]等人通过在汽车地板铺装阻尼胶板的方法，有效降低了地板振动幅值，改善了车内行驶噪声。柯俊[3]等人利用有限元分析方法对地板进行结构优化，使得地板局部模态与激励避频，从而改善了地板的振动。王海涛[4]等人通过优化传动轴管径提高了传动轴固有频率，避免其弯曲模态与发动机激励共振，使地板振动得到明显改善。上述增加阻尼材料、调整零部件结构模态等方法均是常用的地板振动问题解决手段。但在车身大件及重要系统零部件结构已定、项目开发周期及成本控制均受限的情况下，动力吸振器则是另一种快速且有效地改善措施。本文将针对某MPV 车型加速工况出现地板振动过大的问题，通过路试振动数据采集及模态测试分析确定问题点为传动系统模态共振，并结合驱动轴的固有特性对动力吸振器参数进行优化设计。结果表明，优化后的驱动轴-动力吸振器系统对地板加速振动问题有显著的改善作用。某前置前驱 MPV 新研车型在工装样件试制阶段发现，当手自一体变速箱置于手动模式 3 挡全油门加速发动机转速为 3 560 r/min 左右时，车内前地板有明显的振动，乘员感觉脚底发麻引起不适，产生极大的抱怨。通过主观评价发现该振动峰值与发动机转速相关，该车型搭载 4 缸 4 冲程发动机，其主要激励贡献为二阶往复惯性力。初步判断是由传递路径某个系统零部件与发动机激励频率共振产生。发动机激励主要通过三条路径传递至车身地板如图 1 所示。基于振动传递路径分析，分别在车身地板、悬置支架、副车架衬套主被动端、转向节、摆臂、排气管吊钩等位置布置加速度传感器，按照问题工况进行道路测试，应用 LMS Test.Lab 软件的Signature Testing-Advanced 模块进行振动数据采集与后处理分析。地板振动 Colormap 图如图2 所示。从图 2 可看出，地板加速振动的振源为发动机 2 阶激励，共振频率约为 120 Hz。另通过数据分析发现，所有传递路径测点中仅右转向节的 2阶振动曲线与地板 2 阶振动曲线趋势相同且峰值频率相对应如图 3 所示，其他测点并未出现明显对应关系，由此可初步判断地板加速振动为传动系统右传动轴引起，与悬置系统、排气系统无关。经查该车型传动系统为借用老车型量产件，右传动轴自带 500g@100 Hz 单级动力吸振器组成一个两自由度振动系统如图 4 所示，可排除传动轴一阶弯曲模态共振的可能，但不排除加装动力吸振器后传动轴系统模态共振的可能，因此，需对右传动轴系统做进一步的模态试验分析。为使测试结果能够更准确地反映实际问题，在整车状态下对右传动轴约束模态进行测试。应用LMS Test.Lab 软件的 Impact Testing 模块，采用力锤激励法开展模态测试，得到关心频带 0～200 Hz范围内传动轴轴杆测点的频响函数曲线如图 5 所示。由图 5 可看出，装有动力吸振器的传动轴两自由度系统模态频率分别为 80 Hz、123 Hz，其中123 Hz模态与地板加速 3 560 r/min 振动峰值频率119 Hz 接近。由此可以断定地板加速振动是由发动机 2 阶激励与右传动轴系统模态耦合产生共振所致。进一步验证取消传动轴动力吸振器前、后状态地板加速 2 阶振动曲线对比如图 6 所示。由图 6 可看出，取消传动轴动力吸振器后，地板 3 560 r/min 振动无峰值，但 3 160 r/min 时由传动轴一阶弯曲模态（查传动轴模态测试数据为102 Hz）共振产生的振动幅值更大， 不可接受。据此可断定传动轴系统 123 Hz 的模态是由其自带500g@100 Hz 动力吸振器组成一个两自由度系统所产生，在传动轴结构已定的情况下需对动力吸振器参数进行优化设计。根据动力吸振器的设计使用原则，只有在其固有频率附近很窄的激振频率范围内才有吸振效果（对应图 6 中 3 160 r/min 响应），同时在邻近这一频带的相邻频段内产生了两个共振峰（对应图 6中 2 500 r/min、3 560 r/min 响应），因此，如果动力吸振器设计使用不当，不但不能吸振，反而易于产生其他共振问题。据此提出问题优化措施，对传动轴实施两级并联式动力吸振器并对吸振器质量、频率参数进行优化设计，通过控制传动轴系统频响特性使其能够兼顾地板加速 3 160 r/min、3 560 r/min 时的振动性能要求。建立传动轴附加单级动力吸振器振动系统的力学模型如图 7 所示，图中各参数定义如下：k1 为主系统刚度；m1 为主系统质量；k2 为吸振器刚度；m2 为吸振器质量；c 为吸振器阻尼；x1 为主系统位移；x2 为吸振器位移；0 F = f t sinw 表示外界对主系统输入的激励力，ω 为激励频率。系统的运动方程为[5]建立传动轴附加两级并联式动力吸振器振动 系统的力学模型如图 8 所示，图中各参数定义如下：K 为主系统刚度；k1 为吸振器 1 刚度；k2 为吸振器 2 刚度；c1 为吸振器 1 阻尼；c2 为吸振器 2阻尼；M 为主系统质量；m1 为吸振器 1 质量；m2为吸振器 2 质量；x 为主系统位移；x1 为吸振器 1位移；x2 为吸振器 2 位移；u = U t sinw 表示外界对主系统输入的位移激励，ω 为激励频率。根据动力吸振器的优化设计步骤要求，首先需对主振系统即传动轴系统进行模态参数（质量、刚度、阻尼）识别。目前针对动力吸振器安装系统模态参数的识别方法主要有基于实物零件的试验法和基于频响函数的数值模拟仿真法。本文采用更快捷、准确的附加质量试验法，在附加质量已知的情况下通过模态测试获取主系统加质量前、后的模态频率参数如表 1 所示。再由式（5）（6）联立得式（7）即可求得主 系统模态质量[7]。考虑到样件开发成本、周期等条件限制，项目决定采用现有吸振器结构通过调整橡胶材料配方使其满足最佳频率参数设计要求。根据两级动力吸振器定点优化设计理论，吸振器的固有频率设计应满足式（8）（9）最优同调条件[6]，以使主系统附加两级动力吸振器组成的三自由度振动系统的频响曲线三个响应峰值等高，然后进一步优化吸振器阻尼参数使得响应峰值最小化。本案例中，在已有单级动力吸振器实测数据作参考的情况下，两级动力吸振器的优化设计目标应为：①能有效吸收加速 3 160 r/min 时由传动轴一阶弯曲模态共振产生的振动；②附加两级动力吸振器后主系统的频响峰值频率与 120 Hz 避频。最终确定两级动力吸振器参数设计如表 2 所示。根据动力吸振器理论模型及主振系统模态参数识别结果，应用 Matlab 软件编写频响函数仿真程序，传动轴主振动系统三种状态下的频响函数曲线仿真如图 9 所示。由图 9 可看出，优化后的两级动力吸振器对传动轴主系统 120 Hz 激励具有优良的吸振效果，80 Hz、100 Hz 两处振动响应较单级动力吸振器方案稍大，但结合主观评价情况及实测数据评估，此两处激励对地板振动响应均较小，可开展两级动力吸振器方案样件制作并做整车搭载对比试验。制作两级动力吸振器样件装配传动轴最终搭载问题车辆如图 10 所示。整车装配状态下实测吸振器样件固有频率结果如图 11 所示，分别为 97 Hz、130 Hz，满足行业设计规范±10%的固有频率公差要求，可进一步开展道路测试。对实施优化方案后的问题车辆进行主观评价发现，加速 3 560 r/min 时地板振动明显降低，同时 3 160 r/min 处振动较原车未发现明显放大情况，总体达到可接受状态。优化方案实施前、后地板加速 2 阶振动曲线如图 12 所示，地板加速振动 Colormap 图如图 13 所示。实测数据显示，优化方案实施后问题点 3 560 r/min 地板振动幅值较原状态下降 80.6%，2 500 r/min 附近振动与仿真结果一致较原车状态稍高但仍在接受标准 0.02g 范围内，问题改善效果显著。（1）针对某 MPV 车型开发过程中出现的地板加速振动问题，通过主观评价结合试验数据分析对问题进行分析诊断，确定问题是由发动机二阶激励频率与实施了单级动力吸振器的传动轴二自由度系统模态频率耦合产生共振所致，振动经悬挂系统传递至车身引起地板振动被乘员感知。（2）对单级动力吸振器、两级并联式动力吸振器理论进行分析，制定了两级动力吸振器的优化设计目标，结合传动轴主系统的模态参数识别结果对吸振器参数进行设计，并通过传动轴系统频响函数仿真预测优化方案减振效果，最后制作样件装车验证，地板加速振动的问题得到有效改善。（3）本研究所采用的频谱分析与模态分析相结合的方法可对汽车工程中碰到的 NVH 问题进行快速、准确的分析与诊断，提高工作效率。问题分析与优化思路可为类似工程问题的解决提供参考。（4）动力吸振器以其开发成本低、减振效果佳的优点，可广泛应用于汽车工程振动噪声问题的解决与研究。作者单位：（1.柳州铠玥科技有限公司，广西 柳州 545000；2.东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545000）
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首次发布时间：2023-04-04
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