某型汽車動(dòng)力傳動(dòng)系扭振分析

黃森，王淼，劉金榕

（1.陜西汽車集團(tuán)技術(shù)中心，陜西 西安 710200；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412000）

引言

汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是由一系列具有彈性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)動(dòng)軸、齒輪和離合器等零部件組成。傳動(dòng)系統(tǒng)的前端通常是作為動(dòng)力輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)，中間是具有傳遞扭矩和變速功能的傳動(dòng)系，后端則是汽車的驅(qū)動(dòng)部分。這些具有彈性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的零部件形成了一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，有著自己的固有振動(dòng)特性。汽車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)件之間的沖擊力、行駛阻力等的作用，會(huì)引發(fā)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，甚至出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振時(shí)會(huì)對(duì)激勵(lì)產(chǎn)生放大作用，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振幅迅速增大，由此引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力往往要超出正常工作應(yīng)力許多，從而大幅降低相關(guān)零件的疲勞壽命，嚴(yán)重影響到整個(gè)汽車的舒適性、可靠性和使用壽命。

變速器作為動(dòng)力傳動(dòng)系中十分重要的組成部分，變速器工作時(shí)處自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生敲擊和嘯叫外，外界對(duì)其的激勵(lì)不可忽視，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振激勵(lì)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒氣體的壓力和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期性慣性力，使扭矩呈現(xiàn)脈動(dòng)周期變化，導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度變化，變速器軸系的角速度也會(huì)隨之變化，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度的變化時(shí)，會(huì)加劇齒輪的敲擊和嘯叫，因此，變速器的敲擊噪聲與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)直接相關(guān)，控制住了傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度變化(扭振)，可以有效地控制變速器敲擊，從而能夠減小敲擊噪聲。本文以某輕型面包車的動(dòng)力傳動(dòng)系為研究對(duì)象，分析該款車型動(dòng)力傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題，為傳動(dòng)系的振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)和故障診斷工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 汽車傳動(dòng)系扭振產(chǎn)生機(jī)理

1.1 現(xiàn)象描述

某款輕型面包車正常行駛3 擋轉(zhuǎn)速在1400-1500rpm時(shí)變速器發(fā)生刺耳異響敲擊聲，保持該轉(zhuǎn)速異響一直存在，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于或者超過該轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)異響消失，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)在1495rpm 時(shí)變速器的一軸端轉(zhuǎn)速波動(dòng)（見圖1），動(dòng)力傳動(dòng)系存在明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，為了消除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)整車舒適性的影響，建立了傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析模型，從工程實(shí)際角度出發(fā)，對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)可以把彈性體的振動(dòng)看作多個(gè)集中質(zhì)量和彈性軸組成的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而簡(jiǎn)化成廣義集中質(zhì)量（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）和等效圓軸（扭轉(zhuǎn)剛度）鏈接成的鏈狀軸系模型。該車型傳動(dòng)系模型如圖2 所示。

圖1 飛輪側(cè)和變速器一軸側(cè)扭角擺動(dòng)曲線

圖2 汽車傳動(dòng)系簡(jiǎn)圖

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振激勵(lì)主要來自兩個(gè)方面，一是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于各缸燃?xì)鈮毫χ芷谧兓a(chǎn)生激勵(lì)，二是來自路面阻力變化引起的激勵(lì)。由于路面激勵(lì)的頻率一般很低，不足以對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振動(dòng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，因此，我們?cè)诖酥豢紤]發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)因素。

1.2 行駛狀態(tài)中的扭振分析模型

變速器行駛時(shí)變速器掛在擋，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過整個(gè)傳動(dòng)系傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車前行，將發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)缸的等效成J1、J2、J3、J4 四個(gè)集中質(zhì)量，相應(yīng)的軸端剛度用K1、K2、K3、K4表示，減振器主動(dòng)端和飛輪集中在一起用J5 表示，減振器從動(dòng)端及離合器簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量J’6，變速器的集中質(zhì)量簡(jiǎn)化成J7 和J8，其中J7 表示變速器一軸及常嚙合齒輪的集中質(zhì)量，J8 表示中間軸及二軸3 擋嚙合齒輪極其浮動(dòng)齒輪和同步器等效到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的等效集中質(zhì)量，J9 為整車平動(dòng)質(zhì)量轉(zhuǎn)化到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的等效集中質(zhì)量，具體參數(shù)見表1。

圖3 傳動(dòng)系帶減振器扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型

表1 行駛工況各零部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

表2 各軸端扭轉(zhuǎn)剛度

設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振力矩為Te(t)，圖2 的力學(xué)模型微分方程如下：

式中，J1-J9 為各慣性元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K1-K9 為各彈性元件的扭轉(zhuǎn)剛度；θ1-θ9為各慣性元件扭轉(zhuǎn)角位移；C 為減振器阻尼系數(shù)；T1-T4 為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)扭矩。

將上式（2）寫成矩陣的形式：

其中為[J]質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。

1.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振固有特性分析

根據(jù)系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)方程：

得到主振方程：

利用Matlab 對(duì)式（5）進(jìn)行求解得出正常行駛時(shí)系統(tǒng)的固有頻率如下（2）正常行駛時(shí)的扭轉(zhuǎn)固有頻率見表1。

表1 頻率計(jì)算結(jié)果

該車所用發(fā)動(dòng)機(jī)是四缸四沖程柴油機(jī)，激勵(lì)力矩可以由式（6）表示：

期中：M0平均力矩，n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，力矩中含有kω諧波激勵(lì)頻率成分，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩激振頻率為：

期中k=0.5,1,1.5,2,2.5……

對(duì)于四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說轉(zhuǎn)速1495r/min 時(shí)，正常行駛扭矩2 階激勵(lì)與系統(tǒng)第二階扭轉(zhuǎn)固有頻率50.3Hz 重合，傳動(dòng)系存在扭轉(zhuǎn)共振，這與實(shí)車測(cè)試時(shí)變速器異響現(xiàn)象吻合，如果長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在該轉(zhuǎn)速段會(huì)對(duì)傳動(dòng)部件造成較大損傷。

2 改進(jìn)措施及效果

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的共振引起的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，導(dǎo)致變速器齒輪的產(chǎn)生異響，要降低變速器的異響噪聲，本文主要采取改變系統(tǒng)固有頻率同時(shí)降低激勵(lì)能量的方法來消除或者降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，主要方式如下：（1）通過優(yōu)化離合器減振器剛度K‘5 和傳動(dòng)軸的剛度K8 改變系統(tǒng)固有頻率；（2）優(yōu)化減振器的阻尼C；（3）將變速器三檔輪由粗齒面改為細(xì)齒來降低齒輪嚙合的激勵(lì)力；最終通過調(diào)整離合器參數(shù)，將固有頻率點(diǎn)調(diào)整由原來的54.3Hz 調(diào)整到43Hz，同時(shí)也降低了共振點(diǎn)處的扭角擺動(dòng)幅度，見圖3。

圖3 改進(jìn)前后效果對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過建立行駛過程扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析模型，對(duì)某車型動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析，最終通過改變共振頻率和激振能量，有效消除了異響，通過分析得出以下結(jié)論：

（1）該車的變速器異響主要由動(dòng)力傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)共振引起；

（2）改善發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩諧波激勵(lì)可以改善動(dòng)力傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；

（3）優(yōu)化離合器的扭轉(zhuǎn)剛度調(diào)節(jié)動(dòng)力傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，對(duì)傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行合理匹配有助于避免和預(yù)防傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)共振。