胡　濱（河南省西峽汽車水泵股份有限公司技術(shù)中心,河南　西峽　474500）

汽車水泵總成固有頻率測試方法與分析

胡濱
（河南省西峽汽車水泵股份有限公司技術(shù)中心,河南西峽474500）

摘要：汽車水泵是汽車發(fā)動機上的一個核心部件，為避免它在發(fā)動機上工作時產(chǎn)生共振造成水泵異響、泄漏、開裂等故障，要求控制并檢測其固有頻率。本文介紹了固有頻率的測試原理、方法，并對汽車水泵總成固有頻率測試結(jié)果進行了對比分析。測試結(jié)果表明：自由狀態(tài)下錘擊法檢測的水泵固有頻率頻譜曲線出現(xiàn)漂移，表現(xiàn)出高阻尼非線性特征；振動臺正弦掃頻共振法可獲得可靠的固有頻率測試結(jié)果，但需保證夾具傳遞特性符合測試要求；工程級半消聲室中的工作噪聲分析法獲得的水泵動態(tài)固有頻率點覆蓋了轉(zhuǎn)軸的低頻段，可較好地反映水泵的實際工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：汽車水泵；固有頻率；錘擊法；共振法；水泵噪聲

當(dāng)前，NVH特性已成為汽車、發(fā)動機設(shè)計和制造質(zhì)量的一個重要綜合指標(biāo)，零部件的動力學(xué)性能備受關(guān)注。汽車水泵作為汽車發(fā)動機上的一個核心部件，為避免它和其它零部件頻率接近，在工作時產(chǎn)生共振造成水泵異響、泄漏、開裂等故障，通常要求其固有頻率大于某一數(shù)值。雖然目前動力學(xué)分析技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但要對汽車水泵總成提出準確可靠的計算力學(xué)模型和邊界條件往往存在困難，固有頻率的準確計算尚難以實現(xiàn)。試驗法獲得水泵固有頻率是另一重要途徑，但目前關(guān)于汽車水泵總成固有頻率分析及測試的文獻很少，如何獲得準確可靠的測試結(jié)果還有待進一步研究。

1　固有頻率測試原理與計算公式

物體系統(tǒng)在收到外力沖擊時，就會以其自身的固有頻率做自由振動，這是拾取其振動信號，對該信號做頻譜分析，得出系統(tǒng)的固有頻率。

Wh：固有頻率

K：綜合剛性

M：質(zhì)量

由以上公式得出，物體固有頻率與物體本身綜合剛性和質(zhì)量有關(guān)；針對汽車水泵，剛性則與水泵各部件的材料、配合、結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)。

2　固有頻率測試方法與分析

2.1錘擊法

錘擊法檢測系統(tǒng)固有頻率主要有傳遞函數(shù)判別法和自譜分析法。傳遞函數(shù)判別法為用一特定已知的激振力，以可控的方法來激勵結(jié)構(gòu)，同時測出力信號和響應(yīng)信號（通常為加速度信號），通過傳遞函數(shù)的分析，得到系統(tǒng)的固有頻率。對于線性定常系統(tǒng)，傳遞函數(shù)是指在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比。當(dāng)激勵頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，傳遞函數(shù)值會迅速增大，從而可判別各階共振頻率。當(dāng)激振力為單位理想脈沖時，輸入信號沖擊持續(xù)時間為無窮小，對輸出信號的時域波形作自譜分析得到頻譜圖，從頻譜圖中各峰值處得到系統(tǒng)的各階固有頻率。

本方法測試系統(tǒng)組成如下圖1所示：

基于LMS系統(tǒng)，采用脈沖激勵法測試時，力錘沿水泵總成的軸向、水平徑向、垂直徑向分別敲擊水泵殼體、皮帶輪和葉輪軸端等部位，三相加速度傳感器粘貼于皮帶輪軸端。將響應(yīng)信號和激勵信號同時采集到LMStest.Xpress振動分析系統(tǒng)中。力、加速度信號的自譜分析及系統(tǒng)傳遞函數(shù)頻率特性分析時，對輸入信號加力窗、輸出信號加漢寧（Hanning）窗以抑制噪聲。圖2為某型號水泵總成自由狀態(tài)下典型的輸入力與加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)頻譜分析結(jié)果。由圖可知，測試中沖擊輸入力的自功率譜在所選頻帶范圍內(nèi)干凈而平坦，各向傳遞函數(shù)幅值譜峰值處形狀寬胖，表現(xiàn)出明顯的高阻尼特征。

根據(jù)Maxwell互易性原理，水泵模態(tài)頻率測試時，采用多點激勵單點響應(yīng)的方法。加速度計固定于皮帶輪軸端作為基準點，錘擊點在水泵結(jié)構(gòu)上移動。為獲得較準確的固有頻率值，減少漏掉模態(tài)頻率的機會，測試時分別從不同的方向上進行錘擊，錘擊點盡可能在水泵結(jié)構(gòu)上均勻分布。圖3為自由狀態(tài)下的某水泵等量級錘擊力時，在結(jié)構(gòu)上均勻分布的不同錘擊點三個方向上的傳遞函數(shù)第一階峰值頻率情況。由圖可知，錘擊點位置移動時，第一階固有頻率值出現(xiàn)波動。其中，沿水泵徑向錘擊時的測試值波動較大，軸向錘擊時波動最小。豎直方向錘擊時，多數(shù)錘擊點的軸向及豎直方向的頻譜曲線平坦，在有效錘擊頻率范圍內(nèi)難以激出固有頻率。綜合各錘擊點及各方向上的測試結(jié)果可知：該水泵自由狀態(tài)下的第一階固有頻率大于300Hz，軸向固有頻率遠高于徑向固有頻率。同時，試驗過程中亦發(fā)現(xiàn)，不同錘擊力下的頻譜曲線出現(xiàn)漂移，水泵振動特性具有非線性特征。由于錘擊的力度與速度、錘擊點的接觸剛度、水泵結(jié)構(gòu)非線性（如：間隙、連接點處的非線性阻尼、與加載有關(guān)的剛度等）的影響，該方法難以準確獲得各方向上的固有頻率數(shù)值。

2.2 振動臺正弦掃頻共振法

水泵正弦掃頻試驗采用蘇試DC-1000-15/SV-0505電動振動試驗系統(tǒng)。試驗時，水泵通過夾具固定在振動臺面上，控制加速度傳感器固定于振動臺的水平及豎直滑臺上，監(jiān)測加速度傳感器固定于水泵軸端。采用不同的目標(biāo)譜加速度峰值對水泵進行正弦對數(shù)掃頻，掃頻率1oct/m in，譜線數(shù)目2048。將水泵響應(yīng)信號采集到UCON振動控制系統(tǒng)中作頻譜分析，與控制加速度幅值譜比較后獲得水泵的固有頻率點。

本方法測試系統(tǒng)組成如下圖4所示：

共振試驗中水泵夾具的傳遞特性對測試結(jié)果有著直接的影響。對于質(zhì)量輕、體積小的汽車水泵而言，振動夾具需保證1000Hz以下沒有共振峰值，一階共振頻率需大于試件一階共振頻率的3-4倍，且正交軸向運動需小于主軸運動。由于很難按設(shè)計圖紙準確計算出夾具的頻響特性，因此水泵夾具制作完成后通過試驗測試其動力學(xué)特性，以保證其傳遞特性符合試驗要求。圖5為某型號水泵振動測試夾具改進前后的目標(biāo)譜3g加速度振動掃頻結(jié)果對比。由圖可知，在20－1000Hz范圍內(nèi)，夾具JIG1沿水泵軸向出現(xiàn)340Hz和526Hz共振峰，沿水泵徑向出現(xiàn)340Hz、680Hz和928Hz共振峰，水泵WP安裝在夾具JIG 1上后，其徑向頻譜基本不變，軸向頻譜在526Hz左右出現(xiàn)共振耦合現(xiàn)象。夾具JIG2在20－1500Hz范圍內(nèi)頻響曲線平坦，水泵WP安裝在夾具JIG 2上后，其軸向頻譜曲線在379Hz處出現(xiàn)共振峰，水泵徑向出現(xiàn)228Hz和1174Hz共振峰，這些共振峰頻率均為水泵的固有頻率。

2.3動態(tài)固有頻率測試法

所謂動態(tài)固有頻率，是指水泵在一定工況條件下運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的固有頻率。通常，水泵在正常工作過程中，除受皮帶傳動作用以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)外，還會受到諸如冷凍液脈動壓力、軸連軸承油膜動態(tài)反作用力、滾動體離心力、轉(zhuǎn)軸不平衡量等各種干擾力的作用。水泵在這些干擾力信號的作用下，轉(zhuǎn)軸振動響應(yīng)的頻率特性將發(fā)生變化。若對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的固有頻率附近有足夠的激發(fā)能量，即可激起轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的固有共振。試驗中通過相應(yīng)傳感器記錄包含這種固有振動的相關(guān)信息，即可分析識別水泵轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的固有頻率。

水泵動態(tài)固有頻率分析采用聲傳感器在工程級半消聲室中進行，測試室背景噪聲小于相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的工作噪聲10dB(A)以上。測試時，水泵的安裝條件盡可能保持與發(fā)動機上一致，水泵帶輪的張力、扭矩和水管的連接表現(xiàn)發(fā)動機上的環(huán)境，水泵按一定的進出口壓力、流量、溫度運轉(zhuǎn)，性能與設(shè)計點流量保持一致。丹麥B&K積分型聲級計實時采集不同轉(zhuǎn)速下的工作噪聲聲壓信號，經(jīng)聲卡線性輸入至計算機中，進行聲壓譜分析。噪聲信號采樣頻率44100Hz，F(xiàn)FT長度16384，hanning分析窗，線性平均方式，對信號作A計權(quán)線性頻譜分析。圖6為某型號水泵不同轉(zhuǎn)速下的聲壓譜，由圖可知，在20-1000Hz范圍內(nèi)，工作狀態(tài)下的水泵由噪聲信號反映出的振動頻率特性變得復(fù)雜，分布在一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，各轉(zhuǎn)速下的聲壓譜在35Hz、56Hz、100Hz、142Hz、192Hz、240Hz、382Hz、600Hz處均出現(xiàn)共振峰。由于聲音來源于物體的振動，因此可將這些不隨轉(zhuǎn)速而變化的聲壓譜峰值頻率點定義為水泵動態(tài)固有頻率點。由圖6可知，這些共振頻率點覆蓋了轉(zhuǎn)軸的低階固有頻率，較好地反映了水泵的實際工作狀態(tài)。

3　結(jié)論

水泵振動特性具有非線性特征，水泵結(jié)構(gòu)、約束和實際運動情況為影響水泵模態(tài)頻率的三個主要因素。為實現(xiàn)對汽車水泵固有頻率的測試，試驗時需對水泵的邊界條件作出選擇，不同邊界條件下的水泵表現(xiàn)出不同的頻率特性。

（1）自由狀態(tài)錘擊法試驗時，不同錘擊力下的頻譜曲線產(chǎn)生漂移，由傳遞函數(shù)判別法獲得的固有頻率點在一定范圍內(nèi)波動。

（2）采用振動臺正弦掃頻共振試驗可準確獲得水泵在固定邊界條件下的固有頻率值，但需保障夾具在所選測試頻率范圍內(nèi)頻響曲線平坦。

（3）在工程級半消聲室中采用聲傳感器，通過對不同轉(zhuǎn)速下的工作噪聲分析獲得的水泵動態(tài)固有頻率點覆蓋了轉(zhuǎn)軸的低階固有頻率段，較好地反映了水泵的實際工作狀態(tài)。

參考文獻:

[1]周先輝,馮長虹,胡濱,呂建偉.汽車水泵總成半消聲室噪聲測試與聲學(xué)評價[J].汽車技術(shù),2013(12):50-53.

[2]高星亮,張進忠,王祖光.基于模態(tài)參數(shù)計算邊界條件的方法[J].振動、測試與診斷,2005,25(01):56-60.

[3]周金林,付晨暉,劉旭琳.振動試驗夾具設(shè)計方法研究[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(06):135-139.

[4]馮長虹,周先輝,趙衛(wèi)東,胡濱.汽車水泵噪聲特性與評價[J].噪聲與振動控制，2014,34(01):118-122.

作者簡介：胡濱（1972—），男，主要從事：水泵的研究測試工作。