混合动力汽车用发动机起动振动与噪声特性初步研究

1、变,随着各次循环制动最高温度增大,摩擦副摩擦因数不断减小且曲线斜率变陡,制动管路压力相应逐渐增大。参考文献1余志生.汽车理论(第四版.北京:机械工业出版社,2007. 2王涛,朱文坚.摩擦制动器-原理、结构和设计.广州:华南理工大学出版社,1992.3刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算.北京:清华大学出版社,2004.4王志刚.制动器摩擦热效应分析.润滑与密封,2005(6:164175.5郭应时,袁伟,付锐.实验法求解汽车鼓式制动器对流换热系数.长安大学学报(自然科学版,2006,26(4:9294.6陈兴旺.鼓式制动器制动温度场的研究:学位论文.西安:长安大学,2006.7QC/T47

2、91999.货车、客车制动器台架试验方法.8GB57631998.汽车用制动器衬片.(责任编辑学林修改稿收到日期为2008年11月26日。1前言目前,针对汽车发动机起停过程的振动与噪声问题在国内尚未检索到相关文献。国外一些汽车公司开展了相关研究,取得了一定成果,如,丰田公司针对丰田汽车混合动力系统分析了ESS振动噪声产生的原因与影响因素,认为发动机在起动过程中的振动主要激励来自于起动反作用力和气缸压力波动及点火后快速上升的发动机转矩,并提出了可变进气门正时、延迟点火、增加喷油量、活塞初始位置控制等措施14;福特汽车公司于2006年进行了基于整车试验的ESS振动噪声研究,认为如果对起动过程中气缸

3、压力波动、起动电机的起动转矩及发动机转速的急速上升控制不当将激发整车振动和噪声,并提出了发动机转速控制、连续起动过程中活塞位置控制及起动阶段电机转矩补偿等改进措施5。混合动力汽车用发动机起动振动与噪声特性初步研究张立军叶荫余卓平(同济大学【摘要】针对某型混合动力汽车用发动机进行了冷起动条件下的振动与噪声试验,测试了发动机机体振动加速度、发动机噪声、气缸缸压、点火脉冲信号及转速信号,分析了发动机起动瞬态过程中振动与噪声特性。试验结果表明,起动阶段的噪声与振动信号表现出明显的非稳态特征,且幅值比怠速时大;高频的振动与噪声和低频的气缸压力波动关系不大,可能与拖动电机的高频转矩波动有关。主题词:混合动

4、力汽车发动机起动振动噪声中图分类号:U467.2文献标识码:A文章编号:1000-3703(200903-0028-04Experimental Investigation Into Starting Noise and Vibrationof an Engine Used in Hybrid Electric VehicleZhang Lijun,Ye Yin,Yu Zhuoping(Tongji University【Abstract】Noise and vibration test in cold start condition was carried out for engine of

5、 a hybrid electric vehicle, during this test engine block vibration acceleration,engine noise,cylinder pressure,ignition pulse signal and revolution signal were measured,and engine starting noise and vibration characteristics were analyzed in the transient state of engine starting.The test results i

6、ndicate that the engine starting noise and vibration signal reveal distinct non-steady characteristic,and the amplitude is greater than at idle speed;in addition,the high-frequency vibration and noise is not closely related with fluctuation of cylinder pressure at low frequency,possibly correlated w

7、ith fluctuation of high-frequency torque that drives the motor.Key words:Hybrid electric vehicle,Engine,Start,Vibration,Noise28汽车技术2009年第3期但这些文献主要提供了最终结果,没有给出详细的分析和论证过程。本文针对某型混合动力汽车发动机进行了冷起动条件下的振动与噪声台架试验与分析,旨在了解发动机冷起动过程中的振动与噪声特性,为建立发动机起动与停机系统动力学仿真模型及寻求合理的改进与控制措施提供依据与原始数据。2发动机冷起动振动噪声试验方法针对某型混合动力轿车用4缸

8、汽油机进行冷起动振动噪声试验。该发动机排量为1.5L ,最大功率为69kW (6000r/min ,最大扭矩为128N ·m (3400r/min ,点火顺序为1-3-4-2。试验在同济大学混合动力试验室内燃机试验台上进行,该试验台能够准确控制水温。发动机安装在刚性较好的台架上,台架与地面基础间采用橡胶垫减振悬置,起动电机与发动机采用弹性轴机械连接,台架试验原理如图1所示。图1台架试验原理示意试验过程中重点测试发动机机体的振动加速度、发动机噪声、气缸压力、点火脉冲及转速等信号,采用Head 数据采集系统采集数据并进行在线观测,采样频率为12000Hz 。试验采用的传感器及测点布置如下

9、:a.采用3向压电式加速度计测试发动机机体振动加速度,传感器安装于发动机上表面接近几何中心位置,z 方向为竖直方向向上,x 方向平行于曲轴方向,y 方向垂直于曲轴方向。b.采用声级计测试发动机噪声。声级计安置于距发动机侧0.5m 处,高度与发动机气缸1/2处平齐,参考标准GB/T1653896进行测试。c.气缸压力传感器安装在1号缸内测量其缸压。1号缸点火时刻由点火脉冲信号获取,其它工作缸的压力及点火时刻根据发动机工作原理推算。d.采用曲轴光栅编码器测量转速,曲轴转角每转10°触发1个脉冲信号。测试工况设置如下:发动机在冷机工况下起动并保证1号缸优先点火,进行4次试验,水箱温度控制在

10、20左右,发动机每次起动后至稳定怠速运转,持续怠速约5s 后关闭发动机。3试验数据处理与分析3.1数据处理的目的与方法试验数据的处理将分别在时间域和频率域内进行。时间域处理的目的是考察x 、y 、z 3个方向上的振动加速度、噪声、气缸压力、点火时刻、发动机转速等信号的时域特征。频率域处理采取时频分析中的specgram 短时傅利叶变换分析方法,目的是考察振动加速度、噪声、气缸压力的频域特征与相互关系,对比分析发动机起动阶段和稳定运转阶段的振动加速度、噪声等信号的频域特征。对于发动机在不同工况下产生的噪声和振动信号,采用时频分析可更直观地体现这些信号中的瞬态频率是如何随时间发生变化的。3.2数据

11、的时间域总体特征分析图2为发动机冷起动时发动机转速S 、1号气缸压力P 、点火时刻、噪声声压级Lp 、x 向振动加速度Ax 、y 向振动加速度Ay 、z 向振动加速度Az 的时间历程。由图2可看出:a.从总的时间历程来看,发动机运转状态可分为起动阶段(01.5s 、怠速稳定阶段(1.56.5s 及停机阶段。在起动阶段,以发动机第1次点火时刻为界限又分为2个阶段:起动电机带动发动机从停止状态起动到第1次点火的阶段,称为电机拖动阶段(00.8s ;第1次点火后发动机转速迅速上升直至稳定运行的阶段,称为初始点火阶段(0.81.5s 。b.电机拖动阶段、初始点火阶段及怠速稳定阶段的时域过程中,各观测信

12、号的特征对比如表1所列。由表1可知,与怠速稳定阶段相比,起动阶段的噪声与振动加速度信号表现出明显的非稳态特征,而且幅值也相对较大,与试验时主观感受相吻合。3.3数据的频率域特征分析图3为发动机冷起动下02s 内气缸综合缸压鄱P 、Lp 、Ax 、Ay 、Az 的时间历程及各信号的时频谱图。其中,4个气缸的综合缸压按如下方法获得:假设发动机4个气缸的气缸压力历程在曲轴转角上一1.台架2.发动机3.三向加速度传感器4.气缸压力传感器 5.声级计6.曲轴光栅编码器7.橡胶悬置2345617xyz29汽车技术(a 鄱P(c x 向(b Lp(d y 向致,只是由于工作顺序的关系,3号缸、4号缸和2号缸

13、分别与1号缸相差180°、360°、540°曲轴转角相位。因此,在曲轴转角坐标轴上将1号气缸压力平移相应的相位差后,可得到基于曲轴转角的其余3个气缸的气缸压力历程,再根据测得的转速将转角坐标轴和时间坐标轴变换就可得到其余3个气缸的气缸压力时间历程,将4个气缸的气缸压力相加得到综合缸压。根据图3分析电机拖动阶段、初始点火阶段和怠速稳定阶段的信号频率成分,如表2所列。由表2可知,3个阶段中气缸综合缸压、发动机噪声及发动机机体的3向振动加速度具有形状类似但范围不同的频率分布特征;气缸综合缸压的波动频率与噪声和振动加速度的频率相差很大,说明噪声和振动加速度与气缸压力波动关

14、系不大,可能与拖动电机的转矩波动及发动机曲轴活塞连杆运动机构的摩擦冲击有关,这说明混合动力驱动电机与发动机在起动阶段的耦合振动与噪声问题需要进一步分析与验证;噪声的频率分布特征与发动机机体的振动加速度信号非常接近,说明噪声主要来源于机体的振动噪声辐射。图2总体时间历程表1各信号不同时间阶段的时域特征分析阶段电机拖动阶段初始点火阶段怠速稳定阶段时间/s 00.80.8-1.5>1.5转速/r ·min -10500,缓慢上升5001200,迅速上升1200左右,基本稳定气缸压力少许波动波动剧烈,出现峰值均匀稳定变化噪声幅值/dB 非稳态波动,声压最大值约为74噪声幅值无明显波动,

15、约为7274噪声幅值减小,稳定在6669x 向振动加速度/m ·s -2非稳态波动,峰值加速度最大约为0.5振动幅值逐渐增大,频率升高,波动范围为0.40.7幅值基本稳定y 向振动加速度/m ·s -2非稳态波动,峰值加速度最大约为0.25振动幅值逐渐增大,频率升高,波动范围为0.30.6幅值基本稳定z 向振动加速度/m ·s -2非稳态波动,峰值加速度最大约0.75振动幅值逐渐增大,频率升高,波动范围为0.51.0幅值基本稳定150010005000S /r ·m i n -143210-1P /M P a10-2点火时刻0.80.20-0.210-1

16、1.50-1.510-1A x /m ·s -2A y /m ·s -2A z /m ·s -2012345678t /sL p /P a鄱P /M P a 420100500频率/H z0.20.40.60.81.0 1.21.41.61.82.0t /sL p /p a0.20-0.260003000频率/H z0.20.40.60.81.0 1.21.41.61.82.0t /sA x /m ·s -210-160003000频率/H z0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0t /s60003000频率/H zA y /m &

17、#183;s -210-10.20.40.60.81.0 1.21.41.61.82.0t /s302009年第3期表2各信号不同时间阶段的频域特征分析阶段电机拖动阶段初始点火阶段怠速稳定阶段时间/s 00.80.8-1.5>1.5气缸综合缸压低频波动,集中在20Hz 以内频率提高到4060Hz ,幅值明显增大基本稳定在2030Hz 范围噪声瞬态冲击噪声,集中于3000Hz 以下,信号主要频率范围约为1500Hz 前段(0.81s 噪声接近平稳,幅值下降;后段(11.5s 幅值增大,表现为6000Hz 以内的宽带分布,但以3000Hz 以下的低频信号为主幅值明显下降,表现为6000Hz以

18、内的宽带分布,但以1000Hz 以下的低频信号为主x 向振动加速度瞬态冲击振动,集中于1500Hz 以下,但在高频段只有集中在2900Hz 和5800Hz 的谐次周期信号前段(0.81s 振动接近低频平稳信号,幅值明显下降;后段(11.5s 幅值增大,信号集中在1000Hz 以下、25004000Hz 及50006000Hz 频段幅值基本与初始点火阶段后段相同,信号集中在1000Hz 以下、25004000Hz 及50006000Hz 频段y 向振动加速度瞬态冲击振动,频率成分集中在1000Hz 以下频段前段(0.81s 振动接近低频平稳信号,幅值明显下降,频率在1000Hz 以下;后段(11

19、.5s 幅值增大,信号集中在1000Hz 以下、25004000Hz 及50006000Hz 频段幅值基本与初始点火阶段后段相同,信号集中在1000Hz 以下、25004000Hz 及50006000Hz频段z 向振动加速度瞬态冲击振动,频率成分离散分布在3000Hz 以下,信号频率离散度大前段(0.81s 振动接近平稳,频率在25003000Hz ;后段(11.5s 幅值增大,信号集中在25004000Hz 频段幅值基本与初台点火阶段后段相同,信号集中在25004000Hz频段600030000频率/H zA z /m ·s -210-100.20.40.60.81.01.21.4

20、1.61.82.0t /s(e z 向图3综合缸压、噪声与3向加速度信号时频分析4结束语通过台架试验方法初步分析了混合动力汽车用发动机起动振动与噪声特性,台架试验结果表明,发动机起动过程中的振动噪声现象与稳定运转过程中的振动噪声现象具有非常明显的区别;气缸压力的波动频率与噪声和振动加速度的频率相差很大,说明噪声和振动加速度与气缸压力波动关系不大,可能与拖动电机的转矩波动及发动机曲轴活塞连杆机构的摩擦冲击有关,需要深入研究混合动力驱动电机与发动机在起动阶段的耦合振动与噪声问题。发动机的振动特性台架试验与整车试验存在一定的差别,进一步工作可结合整车试验进行深入研究,寻求合理的控制改进措施。参考文献1Takayoshi Y,Hiroshi S.Noise and Vibration Reduction Techn -ology in Hybrid Vehicle