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汽车发动机的振动与冲击性能直接关联可靠性、乘坐舒适性及零部件耐久性，是整车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）优化的核心环节。通过专业测试识别振动源、评估结构耐受能力，是发动机设计验证、故障排查的关键手段。本文围绕发动机振动与冲击测试的常用方法展开，详细说明各方法的应用场景及操作要点，为测试工程师提供实操参考。

模态测试：识别发动机固有振动特性

模态测试的核心目标是获取发动机结构的固有频率、阻尼比及模态振型，这些参数是结构设计优化的基础——比如避免发动机工作转速与固有频率重合引发共振。该方法常用于发动机研发初期的结构分析，或故障排查中定位振动传递路径。

传感器布置是模态测试的关键第一步。需选择发动机振动敏感部位，如缸体上下平面、曲轴箱侧壁、缸盖气门室罩等，使用压电式加速度传感器（频率范围覆盖0-5000Hz）。粘贴时需用专用加速度传感器胶（如Loctite 401）或磁座，确保传感器与被测表面刚性连接——若粘贴不牢，会引入虚假振动信号，导致模态参数错误。

激励方式分力锤激励与激振器激励两种。力锤激励适用于小型发动机或局部结构（如缸盖），操作简便但能量有限；激振器激励（如电磁式激振器）可提供连续稳定的激励力，更适合整体发动机测试。激励点需选择结构刚性较强的位置（如缸体前端），避免激励力引起局部变形。

数据采集时，采样频率需设置为最高感兴趣频率的2.56倍（如关注2000Hz，则采样频率至少5120Hz），触发方式选择“力触发”（力锤激励）或“信号触发”（激振器激励）。采集完成后，用模态分析软件（如LMS Test.Lab）提取模态参数，需重点剔除假模态——比如频率重复、振型呈现“刚体运动”（无变形）的模态，通常是测试误差导致。

随机振动测试：模拟实际使用中的复杂载荷

随机振动测试用于模拟发动机在实际道路行驶中的复杂载荷，如路面不平、风阻、传动轴跳动等，评估结构的抗疲劳能力。该方法是发动机可靠性验证的必做项目，符合ISO 16750、GB/T 2423等标准要求。

试验台设置需还原发动机实际安装状态：用原厂悬置固定发动机，悬置的刚度、阻尼需与实车一致——若悬置选择错误，会改变发动机的振动传递特性，导致测试结果失真。振动台通常采用电磁式（频率范围0-3000Hz），需支持三轴向（X、Y、Z）测试。

载荷谱编制是关键环节。需参考企业标准或实车路试数据，生成加速度功率谱密度（PSD）曲线，涵盖0-2000Hz的常用频率范围（发动机工作转速对应的频率约为0-300Hz，高阶振动可达2000Hz）。例如，城市道路的PSD曲线在50-200Hz区间有较高能量，高速道路则在100-500Hz区间更突出。

测试采用闭环控制方式：振动台实时采集台面加速度信号，与目标PSD对比，调整输出电压确保误差在±3dB以内。每个轴向测试时，需实时监测发动机关键点（如曲轴前端、油底壳）的加速度响应——若响应幅值超过设计阈值（如100g），需立即停止试验，避免零部件损坏。

冲击响应谱测试：评估瞬间冲击的耐受能力

冲击响应谱（SRS）测试用于模拟发动机遭受的瞬间冲击载荷，如车辆碰撞、过深坑、紧急制动等，评估结构对瞬态载荷的耐受能力。该方法重点关注冲击后的共振响应，而非冲击波形本身。

冲击波形选择需匹配实际场景：半正弦波模拟硬冲击（如碰撞），峰值加速度高（50-200g）、脉冲宽度短（1-11ms）；方波模拟软冲击（如过减速带），峰值加速度低（20-50g）、脉冲宽度长（10-30ms）；后峰锯齿波模拟冲击后持续载荷（如货物撞击）。例如，过深坑的冲击通常选择50g、11ms的半正弦波。

安装固定要求发动机刚性连接在冲击台上——若采用柔性固定，会吸收部分冲击能量，导致测试结果偏保守。传感器需粘贴在发动机易受损部位（如油底壳、气门室罩），采样频率需高于10kHz，确保捕捉到冲击瞬间的峰值加速度。

测试后需分析冲击响应谱：将时域冲击信号转换为以频率为横轴、峰值加速度为纵轴的SRS曲线，对比设计阈值（如某型号发动机油底壳的SRS限值为80g@100Hz）。若某频率点的响应超过限值，需优化该部位的结构刚度（如增加加强筋）。

瞬态振动测试：捕捉启动/熄火等动态过程

瞬态振动测试用于捕捉发动机在启动、熄火、加速、减速等动态过程中的振动特性，这些过程的振动通常是瞬态的、非平稳的（频率随时间变化），无法用稳态测试覆盖。例如，启动时曲轴的扭转振动、熄火时发动机的自由衰减振动，都是故障排查的重点。

触发条件设置是关键：需用转速信号（如曲轴位置传感器的脉冲信号）作为触发源，设置触发阈值（如启动时转速从0上升至500rpm触发），确保捕捉完整的瞬态过程。若用时间触发，可能错过关键振动阶段。

传感器选择需匹配测试目标：扭转振动用光电式转速传感器（分辨率1000线以上）或磁电式扭矩传感器，线性振动用加速度传感器。例如，测试启动时的曲轴扭转振动，需将转速传感器安装在曲轴前端的信号盘上，采集转速的变化率（dN/dt）。

数据同步至关重要：转速信号与振动信号需通过同一时钟源同步采集（如多通道数据采集系统的内部时钟），否则无法关联振动与转速的关系。分析时需关注瞬态过程中的峰值振动——比如某发动机启动时的曲轴扭转振动峰值为15°，超过标准值（10°），需检查启动电机的啮合间隙或曲轴动平衡。

阶次跟踪测试：对应转速的振动分析

阶次跟踪测试是发动机振动分析的“黄金工具”，用于识别与转速相关的振动源（如曲轴不平衡、连杆小头磨损、气门机构异响）。阶次的定义为“振动频率与发动机转速的比值”（阶次=频率Hz / 转速rpm×60），例如，1阶振动对应发动机每转一圈振动一次（曲轴不平衡），2阶对应每转两圈（曲轴弯曲）。

转速信号采集需高精度：常用键相器（Keyphasor）或旋转编码器（1000-2000线），安装在曲轴前端或凸轮轴上，确保每转输出的脉冲信号均匀。若转速信号误差大，会导致阶次提取错误。

测试时需匀速升速/降速：选择合适的速率（如50rpm/s），覆盖发动机怠速（750rpm）到最高转速（6000rpm）的范围。升速过程中，振动频率随转速线性增加，阶次跟踪软件（如B&K Pulse）会将时域信号转换为阶次域（横轴为阶次，纵轴为幅值），清晰显示各阶次的振动幅值。

结果分析需聚焦关键阶次：1阶振动高通常是曲轴动平衡不良或飞轮不平衡；2阶高可能是曲轴弯曲或连杆变形；气门机构的振动通常对应n阶（n为气缸数，如4缸发动机为4阶）。例如，某4缸发动机加速时4阶振动幅值达到0.5g，超过标准（0.3g），需检查气门间隙或凸轮轴磨损。

共振搜索与驻留测试：验证共振点的耐久性

共振搜索与驻留测试用于找到发动机的共振频率，并验证结构在共振状态下的耐久性。当发动机工作转速接近固有频率时，振动幅值会急剧增大，可能导致零部件疲劳断裂（如油底壳裂纹、悬置橡胶老化）。

共振搜索采用正弦扫频法：从低频率（如10Hz）到高频率（如2000Hz）匀速扫频，扫频速率控制在1oct/min（每倍频程1分钟），确保捕捉到准确的共振点。测试时需监测发动机关键点的加速度响应，峰值对应的频率即为共振频率。

驻留测试需设置严格条件：驻留频率为共振频率，驻留时间根据标准（如30分钟），加速度幅值为设计值的1.2倍（模拟极端工况）。驻留过程中，需实时监测振动幅值的变化——若幅值下降超过10%，说明结构出现疲劳（如焊缝开裂），需停止测试并优化结构。

操作注意事项：扫频时需避免快速扫频（如>2oct/min），否则可能错过共振点；驻留时需确保振动台的输出稳定，避免幅值波动过大。例如，某发动机的共振频率为120Hz，驻留30分钟后，油底壳的加速度幅值从0.8g下降至0.7g（下降12.5%），说明油底壳的焊缝存在疲劳风险。

噪声振动联合测试：关联振动与噪声源

噪声振动联合测试用于找到发动机振动引起的噪声源（如发动机舱噪声、车内驾驶员耳旁噪声），是NVH优化的关键环节。振动是噪声的根源（振动传递到车身面板，引发空气振动产生噪声），通过联合测试可定位“振动-噪声”传递路径。

传感器布置需覆盖振动与噪声：振动传感器粘贴在发动机关键部位（如缸体、凸轮轴罩），噪声传感器放置在驾驶员耳旁（距离头部10cm）、发动机舱内（距离发动机1m）。噪声传感器需选择无指向性的麦克风（频率范围20-20000Hz），避免环境噪声干扰。

数据同步采集是核心：使用多通道数据采集系统（如NI cDAQ），将振动信号（加速度）与噪声信号（声压级）通过同一时钟同步采集，确保时间轴一致。测试工况需模拟实车状态（如怠速、加速至100km/h）。

分析方法采用相干分析（Coherence）：相干函数用于衡量振动信号与噪声信号的相关性，相干值>0.8说明两者强相关（该振动是噪声的主要来源）。例如，某发动机怠速时，缸体100Hz的振动与驾驶员耳旁100Hz的噪声相干值为0.92，说明缸体振动是车内噪声的主要来源，需优化发动机悬置的隔振性能（如增加悬置的阻尼）。