轿车地板振动问题的研究 - 文章

轿车地板振动问题的研究

作者：泛亚汽车技术中心韩松涛沈洵灏罗清

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摘要：本文针对某轿车开发过程中的地板振动问题，通过道路试验和模态试验，发现排气管的振动对地板振动影响很大，是地板振动的主要原因。根据试验的结果，对原排气管的悬置位置进行了调整，从而使车身地板的振动得到了明显改善。
关键词：振动排气管模态试验

[Abstract] In this paper, aiming for vibrating problem of floor during one sedan development, the author finds out the reason lies to exhaust pipe system by road test and modal test. According to test results, the mounting locations of exhaust pipe are modified. The vibration of floor is greatly improved through modification.
Key words: vibration exhaust-pipe modal test

1 引言

轿车的NVH 特性是轿车提高竞争力一个主要方面，随着人们生活水平的提高，人们对车辆舒适性的要求也越来越高。所以，世界上各个汽车生产公司，在产品开发时，都把NVH 作为一项主要指标来校合。在对某轿车的产品样车进行NVH 性能主观评估的过程中，发现当发动机转速处于某一范围时，感觉到车身地板有明显的、不舒适的振动，这些振动极易引起客户的抱怨，因此必须进行试验分析研究，采取有效的措施，以减小或消除该振动。

1.1 车辆的试验

为弄清产生振动的原因，必须进行必要的试验。由于振动大小与发动机的转速有关，所以激励源应该是发动机。发动机的激励通过三个路径传递给地板：

(1) 发动机的悬置系统[2]；
(2) 排气管的悬置系统；
(3) 传动轴的支撑。

在这三个传递路径中，发动机的悬置、传动系统及其支撑在整车设计初期已经进行了认真考虑，而排气管和其支撑的设计，只是进行了基本功能(如消声、固定等)设计，没有详细地考虑其动态特性对车身地板振动的影响。因此试验首先针对整车和排气系统进行。

图 1 不同发动机转速下地板的振动加速度

为弄清车身地板振动所对应的具体转速和频率，首先在平坦的道路上，变速箱挂三档，油门全开，发动机转速从2000r/min 开始，测量了车身地板的振动。试验结果表明在发动机转速处于3400~4200r/min范围时，感觉到地板振动剧烈，地板上的振动加速度与发动机转速的关系如图1 所示。找到了振动较大的转速范围后，为了弄清是否真的是由于排气管的振动所引起。对排气管进行了隔离试验，即在转鼓上分别拆除排气管前面的支撑和中间的支撑，测量在上面所述范围内某一转速下，地板的振动加速度。图2、图3 分别为试验的结果。

图 2 排气管前支撑对地板振动的影响

图3 排气管中间支撑对地板振动的影响

从图2、图3 的试验结果可以发现，排气管不与地板连接工况下，地板振动明显减小，同时振动剧烈时的主要振动频率大约110~140Hz 之间，这正好对应着发动机转速的2 阶次（3600~4200 r/min），说明发动机及其所关联的系统的振动激励引起了车身地板的振动。同时比较图2 和图3，发现前悬置点的影响更大些。因此可以确定排气管的振动是一个主要的振动激励源。由于只有在特定发动机转速下，才出现地板剧烈振动现象，所以可以断定是结构共振引起，需要对排气管进行模态试验分析[1]。

2 排气管的模态试验

根据上面的结果，模态试验的分析频率为0～250Hz。采用B&K 信号采集和LMS_CAD_X 模态分析系统，对排气管进行模态分析。为了较真实的反映排气管在车辆上的安装状态，把排气管前端(与发动机连接处)与一块大的钢架(质量与发动机基本一致)接起来，在中间用很软的橡皮绳悬挂起来，图4 为模态试验测点布置图。

图 4 排气管模态试验

为了更全面的获得排气管的模态，采用多点输入多点输出方法进行模态拟合，分别在排气管的尾端和排气管的前部进行激励，这样可以防止模态丢失。图5 为试验所获得的传递函数曲线。

图 5 试验获得的传递函数曲线

通过试验获得的部分排气管模态频率如表1 所示。

表1 部分排气管模态结果
模态频率 ( Hz) 振型上最大振幅点
110.83 Point 3, 4 and
112.37 Point 3, 4 and 6
113.42 Point 9 and 10
114.17 Point 7, 8 and 13
121.46 Point 3, 4 and 6
123.91 Point 2, 5 and 8
142.99 Point 9, 10 and 11
143.92 Point 3, 4 and 6
144.74 Point 7 and 8

从表1 中的结果可以，看出在110~145Hz 内确实存在着一些模态，且在原支撑位置点(6、7 点)附近是最大振幅点，这就使发动机传递到排气管的振动以及高速废气引起的排气管自身振动经过放大再传递到车身地板。图6~7 不同频率下的模态振型。

图 6 121.46Hz 时排气管的振型

图 7 144.74Hz 时排气管的振型

从振型图上可以清楚的看到，在这些振型下，6 点或7 点基本上都是振幅最大的点。所以当排气管的支撑安装在这两个位置时，在发动机排出的高速气体的激励下，激起了排气管这些模态，产生共振现象，从而导致地板的振动加剧，因此需要改进这两个悬置的安装位置。但是按照实际情况的需求，本次改动只是针对6 点的支撑。从振型图上看，4 点和6 点都是容易出现大振幅的点，而且4 点和6 点的振动为反相位振动，即振动的方向相反，因此支撑安装在4 点和6 点之间即5 点应该是最好，但是，实际结构中5 点在三元催化器的中心上，是不可能布置安装点，所以选择4 点和5 点之间最接近5 点，又能布置支撑的地方作为新支撑的安装点；同时也选择4 点来作为比较。图8 是调整支撑位置后，在同一道路上，不同安装位置下地板同一点的振动加速度比较。

图8 不同支撑位置下地板的振动

从图8 实际试验结果看，当支撑点选择在4 点和5 点之间时，地板的振动没有出现明显的峰值，而是随着发动机的转速增加而增加，这应该是正常的现象，因为转速增加，发动机的振动加剧，通过发动机悬置传递给地板的振动也增加。当支撑选择在4 点时，虽然在3650 r/min 处的振动幅值降低了，但是另外一处的振动峰值却没有降低，反而有所升高，这与模态分析结果一致。

3 结论

针对某轿车开发过程中出现的地板振动问题，本文从试验出发对问题进行了分析，通过对车辆地板振动的测量和排气管的模态分析实验，排气管的振动是引起地板的原因之一，通过调整排气管前支撑的位置使地板的振动得到了改善，最终使问题得到了有效的解决。虽然，通过改变排气管支撑位置，降低了地板在某一转速范围内的振动，但是由于排气管在0~256Hz 内有许多模态，在很宽的发动机转速内废气都会激起这些模态，但是只是在110~140Hz 内的模态共振通过地板表现出来，说明除了排气管之外还存在其它的振动放大路径，特别是排气管和地板之间的联系系统车架，因此对车架进行动态特性研究是今后车辆进一步改善NVH 性能的工作方向。

参考文献
1 傅志方. 振动模态分析与参数识别. 北京：机械工业出版社，1990
2 R. G. Dubensky. Simultaneous Engineering of Powertrain Subsystems Design Aspects. SAE Paper 932894(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/29/2005)


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