汽车振动分析的试验研究

　　1 前言

　　汽车的振动问题表现在各结构的振动传递，其振动传递特性可以通过频率分析来说明。汽车在行驶过程中会出现各种各样的问题，有可靠性的问题，也有乘坐舒适性的问题等，这些问题大都和振动有关，如何通过振动分析测试来解决这些问题就变得很关键。本文通过对某3 吨车的振动分析测试来说明如何利用频率分析来解决此类问题。

　　2 试验过程

　　某3 吨车整车振动较大，乘员的乘坐舒适性较差；在该车的可靠性试验中，其前保险杠在支撑点（保险杆与车架相连处）附近开裂较频繁。因此对该车进行平顺性试验、悬架固有频率测试、汽车车架模态分析、汽车动力传动系模态试验、发动机振动测试、前保险杠模态试验，以对其从频率成分上进行振动分析。

　　3 试验分析

　　3.1 平顺性分析

　　3.1.1 试验结果

　　通过汽车平顺性试验，验证出此车平顺性较差。

　　3.1.2 分析

　　由悬架固有频率试验得出该车的前悬挂偏频为2.7Hz，后悬挂偏频为2.82Hz，过高的偏频值说明汽车的前后悬挂系统的刚度较大，汽车悬挂上质量振动过大，致使汽车的平顺性降低。

　　由于此车的悬挂系统基本上采用的是五吨车的悬挂系统，而汽车的额定载荷却只有3 吨，这造成该车的悬挂刚度相对过大。这是该车悬挂偏频较大的原因。

　　由动力传动系统弯曲模态试验结果可知，该车动力传动系的第一阶弯曲模态频率为44.07Hz，其值偏低，即该车动力传动系的弯曲刚度较低；由于该车发动机的额定转速为2800r/min，其对应的频率为46.7Hz，大于动力传动系的第一阶弯曲模态频率，这使得在发动机工作转速范围内（较高转速上）将出现共振。从发动机振动试验结果得出，该车发动机在2500r/min 左右的转速时有共振出现，尽管发动机本身的振动不大，但由于其悬置的隔振性能较差，致使车架的振动较大，从而降低汽车的平顺性。

　　由上面的分析可得出，影响此车平顺性的因素主要为：

　　1）汽车前后悬挂系统的刚度较大。

　　2）动力传动系的弯曲刚度偏低，发动机高转速时，动力传动系易产生弯曲共振，又由于发动机悬置隔振性能差，从而导致汽车振动较大。

　　3.2 保险杠振动分析

　　3.2.1 试验结果

　　通过试验，证明该车前保险杠振动较大。

　　3.2.2 分析

　　在平直的B 级沥青路面和砂石路面，对汽车原始状态下的保险杠进行了振动测试，测点为保险杠上翻边中间偏左的位置，测量方向为z 向（垂直向上）和x 向（水平向前）。

　　通过对汽车保险杠测点在平直的B 级沥青路面的自功率谱和砂石路面的自功率谱进行分析，得出保险杠的振动主要发生在f1=13.6Hz、f2=22.2Hz、f3=26.4Hz 这三个频率上，并且不因车速路面的不同而发生变化，此三个频率为保险杠整车状态下的固有频率。

　　保险杠在Z 向和X 向的振动均很大，二者在数值上相差不大，以Z 向的振动略大；在平直的B 级沥青路面试验时随着车速的升高，保险杠的振动也随着增大。

　　从保险杠的模态分析的试验结果可知，固有频率f1、f2、f3 与保险杠整车状态下的第一阶模态频率（13.44Hz）、第三阶模态频率（23.30Hz）、第四阶模态频率（25.96Hz）接近，其中第四阶模态振型为保险杠的整体一阶扭转变形。在上述三个频率下，保险杠的振动表现为两端前后振动和扭转振动，节点主要位于保险杠右支撑点附近（第三阶模态在左支撑点附近也有节点），说明在这些部位存在较大的应力，即保险杠在支撑点附近易产生开裂，这与该车可靠性试验结果符合。

　　在保险杠三种状态下（原始安装状态，加装支架的安装状态，自由悬挂状态）的模态试验分析中得出，在保险杠加装支架后，其结构的模态频率比原结构普遍提高，保险杠的一阶扭转变形频率提高至29.94Hz。从振型上看，在保险杠加装支架后，各测点相对变形减少，振型复杂程度降低。因此，通过在保险杠上加装支架可提高保险杠的振动频率，减少振动。

　　保险杠处在自由悬挂状态下时的模态频率中，没有出现f1、f2、f3 这三个频率，说明保险杠的这三个固有频率，是由于与车架连在一起而受其影响形成的。从该车车架模态试验分析中得到，频率21.6Hz 为车架整体一阶垂直弯曲，与f2=22.2Hz 吻合，这说明现结构下的保险杠在22.2Hz 处，受车架垂直弯曲振动影响强烈。

　　从上面的分析可得出，致使保险杠振动过大的原因主要为：

　　1）由于自身材料及安装结构的原因，保险杠在实际使用中易产生抖动和大变形，在支撑点处有较大的应力集中，导致此处产生开裂。

　　2）保险杠在22.2Hz 处受车架垂直弯曲振动影响。

　　3.2.3 验证试验及分析

　　通过上述分析，得出要想减少保险杠的振动，必须加强保险杠的整体结构刚度，以提高其自身的振动频率并避开车架的一阶垂直弯曲频率。为此在保险杠上加装简易支架（支架位于车架与保险杠上小灯边框间，为一薄钢条）后，在平直的B 级沥青路面重新测试了保险杠的振动，测点与原来一致，通过对保险杠加支架后保险杠测点的自功率谱分析，得出保险杠Z 向主要振动频率为17Hz、27.6Hz、30.6Hz，X 向主要振动频率为17Hz、30.6Hz，综合起来，保险杠的三个主振频率为f11＝17Hz，f22＝27.6Hz，f33＝30.6Hz，此三个振动频率不随车速的变化而变化，为保险杠加支架后整车状态下的固有频率。

　　在保险杠上加装支架后，保险杠的振动值显著下降。从标准差上看，Z 向振动下降了12.7%～26.2%，X 向振动下降了40%～44.6%，车速越高，保险杠的振动值下降越大。因此，该车的保险杠在加装支架后，能使自身振动显著下降，尤其是能大幅降低保险杠前后方向的振动。

　　从保险杠模态分析试验结果可知，固有频率f11、f22、f33 与保险杠在加支架后的第一阶模态频率（16.75Hz）、第三阶模态频率（27.71Hz）、第四阶模态频率（29.94Hz）接近，其中第四阶模态振型为保险杠的整体一阶扭转变形。从振型上看，保险杠在加支架后的第一、四、五阶模态分别对应于原结构的第一、三、四阶模态，其模态频率均得到提高。在加支架后，保险杠的模态振型也有变化，如出现了第二阶（27.7Hz）不同型式的振动模态。由上分析可知，保险杠在加装支架后，其整体固有频率得到提高。

　　从保险杠自功率谱图分析，保险杠在X 向的振动中出现了22.6Hz 的振动，但不是主要振动，这说明保险杠在加支架后，由车架垂直弯曲振动带来的影响得到很好的抑制。

　　通过上面的分析可得出，保险杠在加支架后，提高了保险杠的整体刚度，达到提高自身的固有频率，大幅降低振动，从而提高振动可靠性。因此，可以通过给保险杠加装支架或换用具有较大刚度的材料制作保险杠，以提高保险杠的固有频率，从而解决保险杠开裂问题。在后来的工作中，该车生产时通过采用大刚度的材料来制作保险杠，以后的使用中没有出现开裂现象。

　　4 结论

　　汽车振动是一个比较复杂的问题，必须进行系列相关的振动测试分析才能判断引起问题的原因。通过对各部分的振动频率进行分析，最终可确定引起问题的原因，并由此找到解决问题的方法。