客车拍频振动现象的识别及改进

郭 彬， 袁 帅， 李艳君， 时培伟

(1.内燃机可靠性国家重点实验室， 山东 潍坊 261000； 2.潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261000)

拍频现象常见于旋转机械的运转中，是系统中一个或多个稳态振源的频率与另一振源的频率接近而引起的一种异常振动现象[1]，是由于两个或两个以上不同频率且幅值相差不大的振动相互叠加的结果。客车系统中发动机的曲轴、齿轮系统以及整车的风扇、空调、传动系统都是旋转件，如果设计不合理，其在某些特定转速下振动频率和幅值接近时，很容易产生拍频现象，驾驶员和乘客会感受到周期性的振动起伏，从而影响驾乘舒适性[2]。

本文针对某客车开发过程中出现的拍频现象，利用西门子公司的LMS Testlab模块，采用频谱分析法和分别运转法确定产生拍频现象的原因，并作出相应改进。

1 客车拍频现象

利用最基本的简谐振动模型，可以说明拍频现象的特性。假设有2个同方向的简谐振动[3]：

y1=a1sin(ω1t+ψ1)，y2=a2sin(ω2t+ψ2)

将y1式与y2式相加，得：

此时y为拍振，其幅值按余弦规律以圆频率(ω1-ω2)/2做周期波动，幅值在(a1+a2)到(a1-a2)之间来回变化。

当ω1与ω2很接近时，(ω1-ω2)/2频率很低，周期会较长，这时就会产生拍频现象[4]。若同时幅值a1≈a2=a，合成后的振动幅值会在a到0之间以圆频率做周期波动，此时人体感受到明显的振动起伏。若a1远大于a2，合成后的振动幅值≈2a1，此时人体感受不到明显的振动起伏。

拍频现象是振动合成过程中产生的一种特有现象，两个简谐振动的合成结果已不再是一个简谐振动，而是复杂的振幅随时间周期变化的振动[5]。

某6缸柴油机客车开发过程中出现严重的拍频现象，在空挡条件下发动机转速在1 800～2 200 r/min时非常明显，驾驶区及乘客区都能有明显的周期性拍背和顶屁股的感觉。

因车辆在未行驶状态就产生拍频现象，所以故障来源可以将传动系统排除在外[6]。将整车主要旋转系统相对于曲轴的传动比进行归类，用以找出因传动比相近而可能诱发拍频现象的零部件。查询整车配置单发现风扇、空调压缩机、前端惰轮速比设计得比较接近(相对于曲轴，风扇速比为1.10～1.16，空调压缩机速比为1.24，前端惰轮速比为1.26)，初步怀疑故障来自发动机、空调压缩机或风扇系统。前端惰轮由于本身只起到皮带的过渡作用，所受激励小，振动小，一般不会产生较大振动。

2 故障源识别及改进措施

采用频谱分析法[7]和分别运转法[8-10]来确定振动源。

2.1 频谱分析法

频谱分析法可以确定故障发生时的振动频率、幅值及谐次性等信息[11]，结合分别运转法，可以定位具体故障源。

定置工况下，发动机转速从怠速缓慢上升到最高空车转速，对整车进行振动试验，在后排座椅基座布置三向振动加速度传感器。

试验工况：空调压缩机、风扇同时开启，发动机为定置加速工况。

后排座椅处在发动机定置加速工况下的加速度频谱图，如图1所示，图中亮度变化代表加速度幅值的大小变化，越亮加速度幅值越大。

图1 定置升速工况后排座椅振动频谱图

旋转机械具有阶次特性，阶次特性与转速和转频之间有对应关系[12]。阶次是转速或转频的倍数，对转速保持不变。如取曲轴转速为参考转速，即为1阶，则其他旋转件的转频阶次为其相对于曲轴的速比。图中3条较亮的斜线分别代表曲轴振动烈度时，空调压缩机振动以及风扇振动在后排座椅处的响应，对应阶次分别为1阶、1.24阶和1.10阶(即各自速比乘以1阶)。在发动机高转速时振动较大，Z向振动烈度达到6.77 mm/s，根据经验，振动烈度超过3 mm/s时人体会感受到明显振动。前端惰轮虽然与空调压缩机的速比接近，但其振动能量较小，未能传递到后排座椅处。

2.2 分别运转法

为了进一步确认拍频现象与空调压缩机及风扇的关系，采用分别运转法进行分析。

定置工况下，发动机维持在拍频严重的2 000 r/min运转，对整车进行振动试验，在后排座椅基座布置三向振动加速度传感器。

试验分3种工况进行：风扇不工作；空调压缩机不工作；风扇、空调压缩机都不工作。

图2所示为后排座椅处各工况加速度时域信号，上图为风扇不工作状态与空调压缩机不工作状态的对比，下图为空调压缩机不工作与风扇、空调压缩机都不工作状态的对比。可以发现，在只保留空调压缩机工作和只保留风扇工作2种状态下都出现了呈波浪形的周期性信号；而空调压缩机和风扇都不工作时，时域信号平整且幅值较小。

图2 2 000 r/min各状态振动时域信号

由图2可知，风扇不工作或空调压缩机不工作状态下拍频现象依然存在，而只有两者全部关闭后拍频现象才会消失。因此，此车拍频现象产生的原因为风扇、空调压缩机的速比设计得过于接近1。

2.3 改进措施及验证

为了避免拍频现象发生，应调整风扇速比、空调压缩机速比，使得风扇、空调压缩机及曲轴三者之间的振动频率不要过于接近。可以通过调整风扇带轮或空调压缩机带轮的直径来实现。由于调整风扇速比比较困难(需要重新匹配对整车热平衡的影响)，本文通过更改空调压缩机与发动机曲轴之间速比的方法进行调整。

发动机曲轴带轮通过皮带与空调压缩机带轮相连，驱动空调工作。发动机带轮直径205 mm，空调压缩机带轮直径由165 mm改为160 mm，空调与发动机速比由1.24增加到1.27，并在允许的范围内降低了空调皮带的张紧力，使其振动激励进一步减小。

图3为改进后的后排座椅处Z向振动频谱图，空调压缩机振动激励由1.24阶提高到1.27阶(即各自速比乘以1阶)，虽然各阶次的振动分量依然存在，但其幅值大幅降低，Z向振动烈度由6.77 mm/s降低到1.24 mm/s，主观感受拍频现象大幅减弱。

图3 改进后定置升速工况座椅振动频谱图

因为此拍频现象是曲轴、风扇以及空调系统三者振动耦合的结果，将空调压缩机速比增加后，减轻了三者的振动耦合，使得拍频现象得到了有效的控制。

图4为改进后的后排座椅处Z向振动时域加速度信号，可以看到波浪形的周期信号现象消失，拍频现象大幅减轻。

图4 改进后2 000 r/min座椅振动时域信号

3 结束语

本文针对某客车开发过程中出现的拍频现象，利用西门子公司的LMS Testlab模块，对整车进行相应的振动试验，确定了造成拍频的原因为空调压缩机、风扇系统的速比与曲轴过于接近，并通过更改空调压缩机的传动比，减轻了拍频现象。