汽车总成件振动试验方法研究

王胜，赵明芳，范学，梁鹏，章翔，张洪岩

（比亚迪汽车工业有限公司，深圳 518118）

引言

汽车在行驶时始终处于振动状态，由于路面不平、车速和运动方向的改变，发动机工作激励以及车轮、传动系统不平衡质量，产生整车和局部的强烈振动。这些振动严重影响电子/电气件可靠性，甚至对结构产生暂时或永久性的损坏，所以对于车辆上的大多数部件，振动试验都是必需的验证过程。

1 行业标准体系

为了能够考核所有元器件，振动测试一般选择频带较宽的随机振动。目前很多汽车零部件制造企业或整机厂的标准体系中，ISO 16750-3《道路车辆 电气和电子设备的环境条件和试验 第3部分：机械载荷》（以下简称ISO 16750-3）被广泛引用，但它适用范围是电气电子产品，譬如各种传感器，控制模块等尺寸较小，重量较轻的产品，也可以适用于这些产品的安装支架。但对于尺寸较大，重量较重的总成，振动试验参数参考ISO 16750-3时，试验量级就会偏大，振动台上样品总成安装点受到的最大应力可能会超过材料的屈服强度，导致试验过考核。

因此，对于较大尺寸质量的总成结构件及系统组件，不得不重新制定振动测试方法，本文将介绍通过在试车场路谱采集的方式，分析得出这些大的总成件结构件的振动试验方法，使企业能覆盖从小到大，从零部件到大总成，大结构件完整的振动试验体系。

2 振动谱制定过程

总成件结构件的振动谱是利用安装在车辆上的加速度传感器来采集行驶车辆的振动数据，但具体这个过程是怎样实现的呢？ 为了了解车辆各典型部位真实振动情况，一般路谱采集的路况选取试车场坏路，试验路况包括搓板路、石块路、鱼鳞坑路、凸起路、扭曲路、短波路等见表1。

表1 路面工况

采集产品的实车路试数据，依据产品设计寿命要求，采用损伤等效原理，通过路谱数据处理与分析得到PSD谱，最后取各车型PSD包络线，制定适合产品的振动试验方法，制定过程如图1。

图1 总成件振动试验方法过程

2.1 路谱分析总流程

通过Ncode软件对采集到的路谱加速度信号进行分析，分析流程如图2。

图2 路谱分析流程

功率谱密度（PSD）：功率谱密度是一种概率统计方法，表示随机信号的各个频率分量所包含的功率（或称能量）在频域上是如何分布的，在本文中表现为加速度谱密度。

冲击响应谱（SRS）：在冲击激励函数的作用下，一系列单自由度振动系统的最大（加速度、速度、位移）响应值随系统的固有频率而变化的图谱。我们可以将其看作是一系列固有频率不同的，具有相同阻尼的单自由度系统受到同一冲击激励响应的总结果。

疲劳损伤谱（FDS）：在冲击激励函数的作用下通过雨流计数法计算得到的疲劳损伤随一系列固有频率而变化的图谱。

极值响应谱（ERS）：在冲击激励函数的作用下，最大加速度响应值随一系列固有频率而变化的图谱（与冲击响应谱类似）。

2.2 数据校核及筛选

根据试车场各种路况上对应的不同车速选择一圈比较好的数据用来分析处理，例如选择车速与路试标准要求的车速较接近的一段数据。

校核选出来的数据还应该要进行频域与幅值校核，确定和去除与路况不相符的异常数据，比如特定的路况，其频率幅值具有一定的特征，即使不同位置的传感器，其频谱特征也比较一致。

2.3 时域数据处理

主要处理过程包括重采样（采样频率一般为试验最高频率的10倍以上），去毛刺（去掉突变信号干扰产生的尖锐的、极大幅值的数据），滤波（过滤试验频率带宽外的低频和高频信号）等过程。

图3 频域校核

2.4 SRS模块

通过SRS模块，将处理后的一圈时域信号数据分析得到冲击响应谱（SRS）和疲劳损伤谱（FDS）。

2.5 试验压缩

根据疲劳损伤等效原理，创建试验计划，将试验周期按照对应的等效设计里程进行压缩，压缩成台架上各方向的振动时间，通过Test Synthesis得到PSD谱。

2.6 ERS模块

压缩后得到的PSD经过ERS模块得到ERS（极值响应谱），一般取1.5倍安全系数，将得到的ERS谱与SRS谱进行对比，若SRS≥ERS，则PSD有效，即为目标PSD谱。如图5所示，SRS谱整体大于ERS谱，得到的PSD谱有效。

图5 SRS&ERS对比校核

2.7 取包络

通过以上步骤，分析得出各采集点的PSD谱，并取各车型包络即为试验谱。

图4 时域数据处理

3 电动总成的振动试验方法

随着汽车电动化化趋势越来越明显，电机驱动总成成为汽车特殊而关键的产品，其集成化越来越高，包括电机、变速箱、电控等，下面就介绍如何通过路谱分析制定该产品的振动试验方法。

3.1 确定采集位置

通过样车观察，电机过悬置安装在车架上，采集点选择电机的主动端（即电机壳体与悬置的安装点），这样选择的好处是，工装可以做成与电机刚性固定的方式，振动设备可以较高传递率的将振动激励传给电动总成。

3.2 路谱数据分析

按照表1的路况在试车场采集过来的数据进行分析，除了常规的要将异常数据进行纠正或剔除外，对于目标数据，进行频谱分析。

3.2.1 阶次分析

通过阶次分析，了解电机自身运动产生的激励特征，如图7所示，在25阶次与50阶次加速度较大，体现出电机与变速箱的齿轮啮合产生的振动特征。

图7 阶次分析

3.2.2 频谱分析

频谱分析的结论是，在低频段（＜50 Hz），中频段100～500 Hz左右，高频端2 000 Hz以上，能量都较大。

低频能量主要来源于不平路面的激励。

中频振动能量主要来自电机自身运转产生的。

高频振动能量也是来自电机自身运转产生的，例如齿轮啮合。

三种振动来源产生的能量都比较明显，因此都需要考虑到。

3.2.3 位移分析

由于振动台的频率一般在2 000 Hz左右，超过这个频率的振动，无法通过振动台来模拟。对于大部分材料来说，材料表面的应变越大，疲劳失效的速度越快，因此通过加速度积分计算2 000 Hz以上产品的振动位移，结果显示位移非常微小，因此2 000 Hz高频对电机壳体的疲劳作用非常小，结合设备能力，将试验频率截止到2 000 Hz。

图6 电机路谱采集点

3.2.4 试验加速

根据电机壳体的制作材料，选择铝合金材料，加速系数取5。

通过加速公式，将实车道路试验的时间压缩到台架振动的时长，计算出台架上的加速度。

式中：

XT—台架试验时间（h）；

XN—坏路试验时间（h）；

GT—台架振动加速度（m/s2）；

GN—路试加速度（g）；

m—加速系数。

按照30万公里的设计里程，将路谱数据直接处理成宽带随机振动，频率范围5～2 000 Hz，形成PSD谱如图8。

图8 PSD谱

振动过程中，试样所有电气连接完好，低压端接带电运行，高压端输入额定电压，系统/组件带电运行并控制电机空载，转速1 000 rpm，试验后，驱动电机不应出现紧固件松动或零部件损坏等现象，额定电压条件峰值扭矩偏差±5 %。驱动电机控制器试验前后满足功能状态A的要求。

4 其他总成的振动试验方法

对于其他总成件，如内外饰大件（仪表板、副仪表板、保险杠、车门护板）等来说，不同于电动总成（即受到来自路面不平产生的低频振动激励，电机自身运转产生的中频振动，齿轮啮合产生的高频振动多种激励的叠加）。他们几乎没有受到来自电机工作产生的激振影响，主要是受到车辆通过不平路面的激励。

通过频谱分析，路面激励到200 Hz，振动能量较最高处下降到1/1 000以下，因此，针对仅受路面激励的总成，200 Hz以上的能量可以忽略，所以试验截止频率为200 Hz即可。

以仪表板总成为例，为了体现更接近实车仪表板的振动环境，通过采集门前门上铰链安装处（由于门柱刚度较高，传递性较好，上铰链也接近管梁的安装点，如图9）的路谱数据。按照第二节的路谱分析过程得出仪表板的随机振动PSD。

图9 仪表板采集点及PSD谱

内外饰产品的主要是塑料材质，因塑料件的弹性模量会因为温度的变化而变化，材料的硬度随之变化，产品会的弹性和玻璃性此消彼长，因此产品的耐振性会受到影响，所以振动要结合仪表的实际用户环境温度。

根据仪表板常见售后问题，试验过程中及试验后要重点关注这些问题，包括外观是否变形、破损；功能是否正常，操作力变化情况；主要紧固件是否紧固扭矩在要求范围内；间隙、面差是否符合要求；以上都可以通过仪器进行评测，如图10所示。

图10 检测项（试验后）

5 结论

对于电动总成和汽车上其他的大件，目前行业基本上没有类似ISO 16750-3这样的通用性标准，而通过实车采集的路谱数据分析得到的振动试验参数——随机PSD，是各企业针对这些产品振动试验方法的制定，从拿来主义走向自主创新的思路，源于路谱，振动参数也是更加贴近实车状态的，使汽车部件振动方法更加完整和合理。