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頻率規(guī)劃表

汽車NVH設(shè)計中，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)共振，采用一張表格對整車系統(tǒng)的模態(tài)頻率范圍進(jìn)行規(guī)定以確保其頻率互相錯開，這個表即是整車頻率規(guī)劃表。頻率規(guī)劃表通常包含激勵頻率、系統(tǒng)模態(tài)頻率及頻率規(guī)避策略三部分。其中激勵頻率、系統(tǒng)模態(tài)頻率在表中直接以數(shù)字體現(xiàn)，頻率規(guī)劃策略卻隱含著悄無聲息地決定著各頻率的范圍。

激勵頻率

激勵頻率考察整車輸入端，主要提取穩(wěn)定工況下的主要激勵頻率。通常包括發(fā)動機(jī)（怠速）燃燒激勵、路面激勵及輪胎不平衡激勵等頻率。

系統(tǒng)模態(tài)頻率

系統(tǒng)模態(tài)頻率考察整車的響應(yīng)端及中間路徑中各系統(tǒng)模態(tài)頻率，通常包括車身模態(tài)、閉合件模態(tài)、動力總成剛體模態(tài)、排氣系統(tǒng)模態(tài)、懸架系統(tǒng)模態(tài)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)以及聲腔模態(tài)等頻率。

頻率規(guī)劃策略

頻率規(guī)劃策略即是對整車的激勵頻率及系統(tǒng)模態(tài)頻率進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃使其滿足頻率分離，從而避免共振的發(fā)生。合理的頻率規(guī)劃策略能使整車頻率滿足：

(1) 激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率分離；

(2) 系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦；

(3) 相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦。

整車頻率規(guī)劃表在乘用車NVH開發(fā)中由來已久，使用成熟，已經(jīng)能很輕易滿足上述要求，怠速共振問題已極少出現(xiàn)。設(shè)計師也能得心應(yīng)手地調(diào)整系統(tǒng)頻率范圍來追求更高剛性車身及模態(tài)頻率，以獲得強(qiáng)迫響應(yīng)下更好的NVH表現(xiàn)。同時頻率規(guī)劃表也能兼容同一平臺下不同尺寸、不同配置及驅(qū)動的車型。

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輕卡頻率規(guī)劃的特點

輕卡[注1]由于對NVH設(shè)計需求的不同，其頻率規(guī)劃表發(fā)展相對較緩。多為零星地應(yīng)用頻率分離原理解決具體共振問題，或者針對專門系統(tǒng)(轉(zhuǎn)向、車架等)模態(tài)進(jìn)行頻率設(shè)定，鮮有對輕卡整車頻率規(guī)劃表進(jìn)行全面研究。從規(guī)劃表構(gòu)成要素而言，頻率規(guī)劃策略輕卡與乘用車一致；但輕卡在激勵頻率部分需要增加打氣泵等激勵規(guī)劃；在系統(tǒng)模態(tài)方面車架模態(tài)、駕駛剛體模態(tài)頻率也需要科學(xué)設(shè)定。輕卡頻率規(guī)劃表特點總結(jié)如下：

(1) 頻率規(guī)劃策略與乘用車一致；

(2) 打氣泵作為制動動力源，并且激勵力無法內(nèi)部平衡，是重要激勵源；

(3) 相對獨立的承載式車架，需設(shè)定其自身模態(tài)頻率并與相關(guān)零件解耦；

(4) 駕駛室通過懸置與車架連接，其自身剛體模態(tài)需解耦并與相關(guān)系統(tǒng)解耦。

圖1 輕卡向轎車“問道”避頻策略

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輕卡頻率規(guī)劃策略

頻率規(guī)劃策略核心是對頻率范圍進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，確保頻率分離，相互頻率之間分離范圍和頻率數(shù)值大小有關(guān)，和車型類別無關(guān)。輕卡頻率規(guī)劃策略也主要確保：系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦、相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦、輸入頻率與響應(yīng)模態(tài)頻率分離。

自身模態(tài)解耦

主要指子系統(tǒng)自身模態(tài)之間的頻率分離，以防止子系統(tǒng)受某方向激勵后產(chǎn)生其余方向的響應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致問題的復(fù)雜化。如輕卡的動力系統(tǒng)剛體模態(tài)解耦、駕駛室剛體模態(tài)解耦、車身彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)解耦以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)橫向擺動和垂向模態(tài)互相解耦等。

相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)解耦

主要指相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)之間保持一定的頻率分離。例如駕駛室扭轉(zhuǎn)模態(tài)通常與儀表板一階整體模態(tài)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)解耦，以防止車身被路面激勵起來后的共振及異響問題。同時駕駛室大鈑金一階局部模態(tài)與聲腔的模態(tài)也需要解耦，以防止鈑金共振振動對聲腔的壓迫。

輸入頻率與響應(yīng)模態(tài)頻率分離

即是要求系統(tǒng)模態(tài)頻率避開激勵頻率一定范圍，這是頻率規(guī)劃表的核心目的。發(fā)動機(jī)怠速頻率是一個重要的整體激勵頻率，系統(tǒng)模態(tài)均與其保持頻率分離。在輕卡中，打氣泵頻率也是一重要激勵，系統(tǒng)模態(tài)（尤其Z向模態(tài)）需與其保持頻率分離。同時懸架跳動頻率以及輪胎不平衡激勵頻率與車身及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)也保持頻率分離。

圖2 輕卡頻率規(guī)劃策略示意圖

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激勵頻率分析

發(fā)動機(jī)和路面是整車主要激勵源，也是頻率規(guī)劃表的激勵頻率的主要構(gòu)成。路面的激勵通過底盤系統(tǒng)和輪胎傳遞到車架，其頻率通常較低（最高通常為懸架跳動，＜16Hz）。路面的激勵主要影響駕駛室剛體模態(tài)、車架模態(tài)、座椅模態(tài)等。來自發(fā)動機(jī)的低頻激勵主要是怠速一階和二階激勵，打氣泵的激勵也是重要組成部分。發(fā)動機(jī)一階和打氣泵激勵頻率主要影響發(fā)動機(jī)及駕駛室剛體模態(tài)、車架模態(tài)、座椅模態(tài)；而發(fā)動機(jī)二階激勵頻率則影響所有重要系統(tǒng)模態(tài)頻率。

4.1 發(fā)動機(jī)燃燒激勵

發(fā)動機(jī)是整車怠速工況下的主要激勵源，其激勵頻率和轉(zhuǎn)速相關(guān)。以直列四缸發(fā)動機(jī)為例，其最大激勵為2階激勵，整車重要系統(tǒng)模態(tài)頻率均要與該頻率避頻。同時怠速工況下一階頻率較低，需要與座椅等系統(tǒng)模態(tài)頻率分離。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的激勵頻率計算公式如下：

f=r*p/60                            (1)

其中f為頻率，r為發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，p為特征系數(shù)二階取值2。

發(fā)動機(jī)怠速工況的激勵頻率需考慮空調(diào)開和關(guān)狀態(tài)，并考慮轉(zhuǎn)速波動。在本項目中怠速空調(diào)關(guān)轉(zhuǎn)速800±30rpm（二階頻率為26.7±1Hz）；怠速空調(diào)開轉(zhuǎn)速為850±30rpm（28.3±1Hz）。如下頻率表所示，此項目怠速二階激勵頻率為25.7-29.3Hz，一階怠速頻率為12.8-14.6Hz。

圖3 某發(fā)動機(jī)右懸置車身側(cè)振動激勵頻譜示例

4.2 打氣泵活塞往復(fù)慣性力激勵

輕卡采用氣動剎車系統(tǒng)，為其提供氣源的打氣泵為單缸活塞結(jié)構(gòu)，其工作時候產(chǎn)生較大的周期激勵，其激勵頻率如下公式2。在頻率規(guī)劃表中，打氣泵激勵頻率主要影響發(fā)動機(jī)和駕駛室Z向跳動頻率，同時需與發(fā)動機(jī)怠速一階頻率合理分離，防止拍頻問題出現(xiàn)。

圖4 某輕卡打氣泵內(nèi)部構(gòu)造圖

4.3 路面不平激勵

路面的激勵通常為寬頻并以低頻為主，但懸架的同步（Hop）異步（Tramp）跳動模態(tài)會顯著放大對應(yīng)頻率的激勵。在頻率規(guī)劃表中，來自路面的激勵以懸架系統(tǒng)的同步異步跳動模態(tài)頻率代替。

懸架的跳動模態(tài)頻率取決于懸架形式、簧下質(zhì)量和懸架的剛度，同一系列車型的懸架跳動模態(tài)頻率相似。本項目中后懸為11-12Hz，前懸12-13Hz，該頻率主要影響動力系統(tǒng)總成Z向跳動頻率和車架垂向彎曲模態(tài)頻率。

4.4 輪胎不平衡激勵

車輪作為高速旋轉(zhuǎn)件，其自身不平衡質(zhì)量會導(dǎo)致周期性的振動激勵。通常輪胎不平衡激勵頻率主要影響座椅系統(tǒng)及后視鏡系統(tǒng)的頻率。最高車速下激勵頻率依據(jù)如下公式3計算，本項目中100kpm對應(yīng)激勵頻率為11.3Hz。

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響應(yīng)端模態(tài)

輕卡結(jié)構(gòu)主要包含駕駛室、車架、動力及底盤系統(tǒng)，其中底盤系統(tǒng)主要影響輸入端在前文已講述。車架為承載式貨車的專有結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)模態(tài)主要包含整體模態(tài)及局部的橫梁和支架模態(tài)頻率。駕駛室和動力系統(tǒng)都通過懸置連接在車架上，其剛體模態(tài)頻率需要進(jìn)行專門的規(guī)劃。同時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、儀表板系統(tǒng)都是駕駛員直接感受的部件，其模態(tài)頻率依然是規(guī)劃的重點。整車響應(yīng)端模態(tài)頻率規(guī)劃主要滿足如下要求：

(1) 與激勵頻率分離；

(2) 各系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦；

(3) 相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦。

5.1 車架模態(tài)

車架為輕卡承載的核心結(jié)構(gòu)，路面及發(fā)動機(jī)激勵首先作用于車架，再經(jīng)由懸置隔振后傳遞到駕駛室及相關(guān)系統(tǒng)。同時車架為保證承載及可靠性，其截面尺寸及料厚往往被約束或有固定序列，導(dǎo)致其頻率范圍調(diào)整性較小。車架整體頻率通常包含一階扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲、垂向彎曲模態(tài)。其頻率規(guī)劃的原則如下：

(1) 與輸入端懸架的跳動模態(tài)、發(fā)動機(jī)的怠速激勵避頻；

(2) 與動力系統(tǒng)、駕駛室系統(tǒng)對應(yīng)方向剛體模態(tài)解耦。

車架的扭轉(zhuǎn)模態(tài)范圍5~10Hz，主要與發(fā)動機(jī)及駕駛室Z向跳動模態(tài)解耦。一階側(cè)（橫）向彎曲模態(tài)通常低于一階垂向模態(tài)，主要考慮和發(fā)動機(jī)及駕駛室Y向剛體模態(tài)解耦。車架一階垂向模態(tài)頻率14~22Hz，需要規(guī)避怠速頻率，同時與發(fā)動機(jī)及駕駛室Z向模態(tài)解耦。

車架與動力及駕駛室連接處的局部模態(tài)也會顯著影響該處的振動傳遞，需要對該處支架一階模態(tài)及所在橫梁模態(tài)進(jìn)行頻率規(guī)劃。動力系統(tǒng)在車架側(cè)的安裝支架，通過襯套與發(fā)動機(jī)直接相連，其一階模態(tài)頻率需要高于最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的4階激勵頻率，以保證發(fā)動機(jī)整個工作過程中不發(fā)生共振。同時為規(guī)避轟鳴等問題，需要對應(yīng)的橫梁模態(tài)設(shè)定頻率目標(biāo)，確保不被發(fā)動機(jī)在加速過程中激勵起來。

5.2 動力及駕駛室剛體模態(tài)

動力系統(tǒng)和駕駛室系統(tǒng)都通過懸置與車架相連接，其頻率規(guī)劃的原則如下：

(1) 自身剛度模態(tài)的解耦；

(2) 與怠速頻率避頻；

(3) 避開人體敏感頻率。

動力系統(tǒng)采用懸置與車架連接，其剛體模態(tài)頻率范圍5-18Hz，其通用原則如下：

(1) 側(cè)傾模態(tài)RX頻率與二階怠速激振頻率滿足隔振要求；

(2) 垂向模態(tài)Z頻率避開人體敏感頻段；

(3) 垂向模態(tài)Z頻率與俯仰模態(tài)頻率RY滿足避頻要求；

(4) 橫向模態(tài)Y頻率與側(cè)傾模態(tài)頻率RX滿足避頻要求；

(5) 縱向模態(tài)X頻率與橫擺模態(tài)RZ滿足避頻要求；

(6) 各模態(tài)滿足對應(yīng)解耦率要求。

表1 某輕卡動力系統(tǒng)頻率分布及解耦匯總表

輕卡的駕駛室與乘用車不同，通過懸置連接在車架上，駕駛室剛體模態(tài)主要考慮頻率及解耦問題。其模態(tài)頻率設(shè)定原則如下：

(1) 垂向模態(tài)Z頻率規(guī)避人體敏感頻段；

(2) 垂向模態(tài)Z頻率與俯仰模態(tài)頻率RY需滿足避頻要求；

(3) 各模態(tài)（尤其是垂向模態(tài)）達(dá)到解耦率要求。

表2 某輕卡駕駛室頻率分布及解耦匯總表

5.3 聲腔模態(tài)

駕駛室聲腔是頻率規(guī)劃表的重要組成成分，獲得其頻率后，需確保駕駛室地板頂棚等大鈑金一階模態(tài)頻率與其避頻。輕卡由于其尺寸問題，其一階模態(tài)頻率通常較高，一般高于局部大鈑金的一階模態(tài)。

表3 某輕卡駕駛室聲腔模態(tài)頻率匯總表

5.4 駕駛室模態(tài)

駕駛室是NVH的最終響應(yīng)端，轉(zhuǎn)向盤、儀表板、座椅及后視鏡都是人直接感受的部件，其響應(yīng)模態(tài)主要包含如下：

(1) 一階彎曲/扭轉(zhuǎn)模態(tài)

(2) 局部（鈑金）模態(tài)

(3) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)

(4) 座椅模態(tài)

(5) 后視鏡模態(tài)

(6) 儀表板模態(tài)

這些系統(tǒng)其頻率規(guī)劃的原則如下：

(1) 與激勵頻率避頻；

(2) 相關(guān)系統(tǒng)解耦。

座椅模態(tài)頻率通常為16-20Hz，其頻率需高于懸架激勵及發(fā)動機(jī)一階怠速激勵。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率需要高于怠速二階激勵，同時自身垂向和橫向模態(tài)分離。儀表板模態(tài)通常高于怠速二階激勵，同時需要與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身模態(tài)頻率分離。車身及后視鏡通常高于發(fā)動機(jī)二階怠速頻率，其自身需要保持頻率分離。

圖5 駕駛室典型系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、儀表板）模態(tài)振型示例

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輕卡頻率規(guī)劃表案例及總結(jié)

某輕卡開發(fā)項目中，通過對基礎(chǔ)車和對標(biāo)車進(jìn)行摸底測試，結(jié)合頻率規(guī)劃的策略制定了項目開發(fā)的整車頻率規(guī)劃表。該規(guī)劃表對發(fā)動機(jī)怠速一階、二階激勵頻率、打氣泵激勵頻率、懸架的跳動頻率及最高車速下的輪胎激勵進(jìn)行了識別及匯總。同時對車架模態(tài)、駕駛室及動力系統(tǒng)剛體模態(tài)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅等模態(tài)進(jìn)行了合理規(guī)劃，確保了與激勵頻率的避頻以及自身和相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)解耦。

圖6 某車型整車頻率規(guī)劃表（截取）

整車頻率規(guī)劃策略在輕卡和乘用車通用，均是要實現(xiàn)以下目的：(1) 激勵頻率與系統(tǒng)模態(tài)頻率分離；(2) 各系統(tǒng)自身模態(tài)彼此解耦；(3) 相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)彼此解耦。在輕卡頻率規(guī)劃表的激勵端，需將打氣泵頻率作為重要管控項與系統(tǒng)模態(tài)頻率分離，同時注意其與發(fā)動機(jī)怠速頻率的拍頻問題。在系統(tǒng)模態(tài)端，車架模態(tài)、駕駛室剛體模態(tài)則是重要的組成部分，需完成自身模態(tài)解耦和相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)解耦。借助輕卡整車頻率規(guī)劃表，對激勵及系統(tǒng)模態(tài)頻率進(jìn)行梳理，并通過頻率策略的應(yīng)用，能很好地規(guī)避輕卡由于共振導(dǎo)致的抖動等問題，從而提高輕卡的NVH性能。

 

注1——輕卡定義:  普通貨車，依據(jù)國標(biāo)GB/3730.1-2001中2.1.2.3.1章節(jié)定義，為一種在敞開（平板式）或封閉（廂式）載貨空間內(nèi)載運(yùn)貨物的貨車；結(jié)合1988版國標(biāo)定義，輕型商用貨車（簡稱輕卡）為總重量從1.8噸至6.0噸的普通貨車。本次整車頻率規(guī)劃針對的輕卡主要指具有獨立的車架，采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，駕駛室和發(fā)動機(jī)通過懸置連接在車架上的輕型商用貨車，其他商用貨車頻率規(guī)劃也可參考。

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