某型車輛共振原因分析及解決措施

羅美菊

（柳州市交通學(xué)校，廣西柳州545007）

某型車輛共振原因分析及解決措施

羅美菊

（柳州市交通學(xué)校，廣西柳州545007）

汽車共振會(huì)影響汽車行駛的穩(wěn)定性，引起某些零部件的早期疲勞損壞，降低汽車的使用壽命，關(guān)系到汽車的耐久性和安全性。通過(guò)對(duì)汽車共振原因進(jìn)行分析，以解決某型車輛共振問(wèn)題為主線，采用試驗(yàn)排除法尋找共振源，分析和驗(yàn)證問(wèn)題產(chǎn)生的原因，通過(guò)實(shí)踐研究解決共振問(wèn)題，具有實(shí)際意義。

共振；受迫振動(dòng)；固有頻率；激振源

汽車平順性與舒適性，是衡量汽車制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性指標(biāo)，它給汽車用戶的感受是最直接的。當(dāng)汽車達(dá)到某個(gè)速度時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致汽車的平順性變差，甚至引起某些零部件的早期疲勞損壞，降低汽車的使用壽命，影響到汽車的耐久性和安全性［1］。下面以某車型共振問(wèn)題進(jìn)行分析與實(shí)踐，通過(guò)改變零件性能來(lái)解決共振問(wèn)題。

1　振動(dòng)、共振與動(dòng)不平衡

振動(dòng)：振動(dòng)是指系統(tǒng)在某一平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在外力作用下（通常是重復(fù)性的力）所作的振動(dòng)稱為受迫振動(dòng)［2］。

振動(dòng)頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的運(yùn)動(dòng)循環(huán)數(shù)叫做振動(dòng)頻率，或簡(jiǎn)稱為頻率，用f表示。

共振：共振是因?yàn)榧?lì)頻率與系統(tǒng)的某階固有頻率相同或相接近時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，比其他頻率以更大的振幅做振動(dòng)的情形。外力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率之一一致，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振［2］，即系統(tǒng)的振動(dòng)幅度將會(huì)非常大。共振的特性：

（1）減速消失。

（2）出現(xiàn)在某一時(shí)速，不隨擋位變化而變化。

（3）發(fā)生在某一時(shí)速區(qū)域，高于或低于該區(qū)域，振動(dòng)均消失。

動(dòng)不平衡是具有一定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)件，由于材料組織不均勻，零件外形的誤差、裝配誤差以及結(jié)構(gòu)形狀局部不對(duì)稱等原因，使通過(guò)轉(zhuǎn)子重心的主慣性和旋轉(zhuǎn)軸線不相重合，旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力，造成振動(dòng)的現(xiàn)象。動(dòng)不平衡的特性：與負(fù)荷無(wú)關(guān)，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。發(fā)生動(dòng)不平衡時(shí)，速度越高，動(dòng)不平衡越明顯，離心力越大。

2　故障現(xiàn)象

某型車輛后驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)軸裝配中間軸承，配置2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，六速手動(dòng)變速器，車輛在110～120 km/h時(shí)車身出現(xiàn)共振現(xiàn)象，超過(guò)120 km/h行駛振動(dòng)減弱，達(dá)到125 km/h時(shí)行駛振動(dòng)完全消失。

2.1汽車共振原因分析

（1）共振條件

物體做受迫振動(dòng)的頻率與物體本身無(wú)關(guān)，由驅(qū)動(dòng)力的頻率決定，且等于驅(qū)動(dòng)力頻率。汽車行駛時(shí)，振動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，是因?yàn)橛姓裨矗ㄟ^(guò)振源進(jìn)行傳播。汽車是由多個(gè)零件組成的復(fù)合物體，把汽車作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究，汽車本身就是一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，各部分的結(jié)構(gòu)、特性決定了它的固有頻率［1］。汽車共振是受迫振動(dòng)的特例，受迫振動(dòng)的激振源一般分為兩類——路面不平度和車上的振源。車上的振源來(lái)自包括輪胎/車輪總成、傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件［3］。共振產(chǎn)生的條件是物體做受迫振動(dòng)的頻率f迫等于驅(qū)動(dòng)力的頻率f驅(qū)，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率f驅(qū)與汽車系統(tǒng)的某一階固有頻率f固相等或接近時(shí)，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。振幅A與驅(qū)動(dòng)力頻率f驅(qū)、振動(dòng)物體的固有頻率f固之間的關(guān)系如共振曲線圖1所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率不論從小于f固的方向增大而接近f固還是從大于f固的方向減小而接近f固，受迫振動(dòng)的振幅會(huì)迅速增大而出現(xiàn)共振現(xiàn)象，當(dāng)f迫=f驅(qū)=f固時(shí)，振幅A最大。汽車共振會(huì)影響乘坐舒適性，使汽車的操縱穩(wěn)定性變差，還會(huì)產(chǎn)生噪聲，增加能量損耗，甚至使零件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞，影響使用壽命。因此，消除汽車共振問(wèn)題具有重要的實(shí)際意義。

圖1　共振曲線圖

（2）固有頻率

頻率是振動(dòng)特性的標(biāo)志，是分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)。根據(jù)固有振動(dòng)頻率公式（1）可知，振動(dòng)頻率與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)（如質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等），質(zhì)量m、剛度系數(shù)K的變化都會(huì)引起系統(tǒng)固有頻率的改變。在大多數(shù)情況下，激勵(lì)的頻率是無(wú)法控制的，因此，我們必須重點(diǎn)研究控制系統(tǒng)的固有頻率，以避免共振［2］。

式中，

f為固有頻率；

T為周期；

K為物體（剛度）系數(shù)；

m為物體質(zhì)量。

2.2消除共振的途徑

（1）通過(guò)降低激振源，減小從設(shè)備某一部分傳遞到其他部分的激振力，減少對(duì)共振的影響。

（2）通過(guò)控制系統(tǒng)的固有頻率，錯(cuò)開共振頻率區(qū)域。根據(jù)固有頻率公式，質(zhì)量m或者剛度K的變化都會(huì)引起系統(tǒng)固有頻率的改變，通過(guò)改變物體（零件）性能（如質(zhì)量、剛度等），來(lái)改變物體的固有頻率，達(dá)到解決共振問(wèn)題的目的。

（3）可附加平衡質(zhì)量和吸振器，降低系統(tǒng)的響應(yīng)［2］。

3　分析共振現(xiàn)象排查原因

該車型傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳動(dòng)軸中間軸承如圖3所示，在傳動(dòng)軸沒(méi)有裝扭轉(zhuǎn)減震器之前，車輛在80 km/h時(shí)車身出現(xiàn)共振現(xiàn)象，當(dāng)裝上扭轉(zhuǎn)減震器之后，發(fā)生共振的起止點(diǎn)移至110～120 km/h.

圖2　某型車輛傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　傳動(dòng)軸中間軸承

汽車發(fā)生共振現(xiàn)象，關(guān)鍵是先尋找激振源。可采用試驗(yàn)排除法尋找激振源，再進(jìn)一步解決共振問(wèn)題。

（1）動(dòng)不平衡檢測(cè)

在動(dòng)平衡機(jī)上對(duì)4個(gè)輪胎進(jìn)行動(dòng)不平衡檢測(cè)，經(jīng)試驗(yàn)4個(gè)輪胎采集數(shù)據(jù)均在規(guī)定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，4個(gè)輪胎不存在動(dòng)不平衡問(wèn)題。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，把車速提到110～120 km/h，檢查車身是否存在共振現(xiàn)象，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)汽車車身不產(chǎn)生共振，因此激振源不在發(fā)動(dòng)機(jī)。

（3）掛擋試驗(yàn)

把驅(qū)動(dòng)輪架起來(lái)，啟動(dòng)車輛，擋位掛至最高擋，加速，查看速度表、轉(zhuǎn)速表，試驗(yàn)過(guò)程車速達(dá)到110～120 km/h時(shí)，車身沒(méi)有發(fā)生共振，車速往上提高，也沒(méi)有發(fā)生共振現(xiàn)象，如果共振是因?yàn)檩喬?dòng)不平衡引起的話，則車速越高，車輛振動(dòng)越明顯，試驗(yàn)過(guò)程車速提高，但車輛沒(méi)有發(fā)生共振，說(shuō)明車輛共振不是由于輪胎動(dòng)不平衡引起的，也不是由傳動(dòng)系統(tǒng)引起的。

（4）改變輪胎氣壓試驗(yàn)

輪胎是汽車行駛平順性隔振系統(tǒng)的一部分，有吸振能力，為吸收路面的沖擊，提高汽車行駛平順性，它應(yīng)該柔軟，輪胎徑向剛度盡可能減小，但剛度不能過(guò)低，否則會(huì)增加車輪的側(cè)向偏離，影響操控性，還使?jié)L動(dòng)阻力增加，輪胎壽命降低。通過(guò)路面行駛，降低輪胎氣壓，減緩壓力，改變路面對(duì)車輛的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某車型發(fā)生共振起止點(diǎn)往后移了3 km，也就是從110 km/h移至113 km/h，車身共振現(xiàn)象未消除，試驗(yàn)排除了由于路面不平度引起的共振。

通過(guò)以上試驗(yàn)排除路面不平度、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)不平衡單一系統(tǒng)或單一零件引起的共振。

3.1共振診斷方法

汽車作為一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，在外界激勵(lì)的輸入作用下，會(huì)呈現(xiàn)一定的振動(dòng)輸出響應(yīng)，當(dāng)激勵(lì)的頻率等于或接近于汽車某階固有頻率時(shí)，波形疊加，振動(dòng)系統(tǒng)（物體）的振幅將達(dá)到最大，形成共振。

汽車在路面上行駛，車速提至110～120 km/h，車身共振加大時(shí)掛空擋，目的是切斷動(dòng)力源，也就是沒(méi)有外驅(qū)動(dòng)力輸入，此時(shí)車身共振現(xiàn)象消失。這說(shuō)明切斷外驅(qū)動(dòng)力后，沒(méi)有外界激勵(lì)的輸入作用，也就沒(méi)有系統(tǒng)振動(dòng)輸出的響應(yīng)。結(jié)合所做試驗(yàn)進(jìn)行分析，掛擋試驗(yàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)輸入，沒(méi)有路面的振動(dòng)輸入，車身沒(méi)有發(fā)生共振；在路面行駛時(shí)，發(fā)生共振時(shí)掛空擋，此時(shí)有路面的振動(dòng)輸入，沒(méi)有傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)輸入，車身也沒(méi)有發(fā)生共振，由此可診斷某車型出現(xiàn)共振現(xiàn)象的主要原因是由于路面的振動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和速度條件達(dá)到110～120 km/h共同作用引起車身劇烈振動(dòng)。由于汽車受到兩者綜合驅(qū)動(dòng)力激勵(lì)輸入，汽車系統(tǒng)做受迫振動(dòng)，f迫=f驅(qū)，而該綜合驅(qū)動(dòng)力的激勵(lì)頻率f驅(qū)等于或接近于汽車系統(tǒng)某階固有頻率f固，也就是f迫=f驅(qū)=f固，振幅達(dá)到最大，從而使車身產(chǎn)生了共振。

3.2共振問(wèn)題的實(shí)際解決方法

（1）調(diào)直傳動(dòng)軸

該車輛傳動(dòng)軸裝配中間軸承，傳動(dòng)軸在沒(méi)有調(diào)直之前存在較大離心力。

式中，

F為離心力；

m為質(zhì)量；

ω為角速度；

r為離心運(yùn)動(dòng)半徑。

據(jù)離心力公式（2）可知，運(yùn)行過(guò)程中，在其他條件相同情況下，離心運(yùn)動(dòng)半徑越大，則離心力越大，產(chǎn)生動(dòng)不平衡越大，振動(dòng)越劇烈。為了降低振源的影響，通過(guò)改變傳動(dòng)軸中間軸承固定支架螺孔位置（如圖4所示），調(diào)直兩段傳動(dòng)軸，減少離心運(yùn)動(dòng)半徑的距離，目的是降低激振源，減少對(duì)共振的影響。

圖4　傳動(dòng)軸中間軸承固定支架

（2）改變中間軸承減震膠剛度

路面振動(dòng)的影響不容易改變，可從傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)去尋找解決問(wèn)題的方法。采用錯(cuò)開共振頻率區(qū)域的方法來(lái)消除共振，在許多實(shí)際情況中，質(zhì)量不能輕易改變，因?yàn)樗闹凳怯上到y(tǒng)的功能要求決定的，要使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，最經(jīng)常采用的措施是改變系統(tǒng)的剛度。

具體做法：經(jīng)過(guò)調(diào)直傳動(dòng)軸后，再在傳動(dòng)軸中間軸承固定支架上的減震膠（如圖4所示）周圍用鉆頭打通8個(gè)φ6小孔，8個(gè)φ4小孔。此方法是通過(guò)改善零件的組織性能，改變零件的剛度，也就是改變系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，使f迫=f驅(qū)≠f固，避開了共振頻率區(qū)域，解決了共振問(wèn)題。減震膠為橡膠材質(zhì)，打孔并不會(huì)造成減振裝置的斷裂，也不會(huì)影響汽車的行駛。

（3）解決效果

經(jīng)上述方法調(diào)整之后，該車型車速提到110～120 km/h時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，車速往上提高也沒(méi)有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，解決了該車型共振問(wèn)題。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車共振原因進(jìn)行分析，采用試驗(yàn)排除法，找到該車型共振的主要激振源，找出引起汽車整車共振的原因，經(jīng)調(diào)直傳動(dòng)軸，降低共振源，再結(jié)合改變系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，避開共振頻率區(qū)域，解決了該車型共振問(wèn)題。以上實(shí)踐研究對(duì)解決其他汽車共振問(wèn)題具有指導(dǎo)性作用。

［1］靳曉雄.汽車振動(dòng)分析［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］（美）Singiresu S.Rao.機(jī)械振動(dòng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［3］姜立標(biāo).汽車運(yùn)用工程基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008.

［4］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Causes Analysis and Solving Measures of Resonance of ACertain Type of Vehicles

LUO Mei-ju
（Liuzhou Transportation School，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Motors resonance stability of the vehicle，causing early fatigue damage of certain parts，reduce the service life of the vehicle，related to the car's durability and safety.Through the cause car resonance analysis to address vehicle resonance as the main line，the rule method to find resonance sources，analyze and verify the cause of the problem，through the practice of research to resolve the problem，meaningful.

resonance；forced vibration；natural frequency；excitation source

U472

A

1672-545X（2016）05-0033-04

2016-02-11

羅美菊（1978-），女，廣西河池人，學(xué)士，講師，主要研究方向：汽車制造與檢修專業(yè)。