一種模擬發動機轉速波動的系統及仿真對比

強登科，馬虎森

(陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西西安 710119)

0 引言

變速器總成匹配各主機廠不同車型，表現出來的加減油門“clunk”、扭振、敲擊等NVH問題越來越突出，當出現怠速異響敲擊時，整車表現為:結合離合器后，變速器產生敲擊噪聲;斷開離合器異響消失。變速器怠速敲擊異響極大地降低了車的聲品質，經常引起客戶抱怨。由于4沖程發動機的結構特性，動力系統始終會存在扭轉振動和輸出轉速波動的問題，這也是怠速異響敲擊的根源。而解決怠速敲擊異響問題需要結合發動機、離合器和變速器，從匹配的扭振問題上進行解決。文中主要介紹一種利用傳動軸偏移及不平衡量模擬提供四缸發動機的二階轉速波動的測試系統，該測試系統利用傳動軸夾角和不平衡量進行模擬，可任意調整角度，從而調節轉速波動大小；同時還可利用數據采集系統進行轉速、振動和噪聲數據的采集及分析，研究怠速敲擊異響發生的機制和驗證解決措施。其次基于AMESim建立模擬系統和某6擋手動變速器的仿真模型，通過模擬分析與實測數據對比，校核仿真模型，為后續深入分析奠定基礎，同時也為整車NVH性能提升提供了很大幫助。

1 模擬原理

通過萬向節引入的扭轉效應如圖1所示。

圖1 通過萬向節引入的扭轉效應

萬向軸以夾角α旋轉時，萬向節就引入了一個二階的扭振激勵[1]，如圖1(a)所示。如果兩個萬向節的安裝角度相同，并且在同一個平面中旋轉，則不平衡量抵消，從而不輸出扭振，如圖1(b)所示；而如果兩個萬向節互為90°安裝，則二階激勵會被放大[2],如圖1(c)所示。

對于單萬向節傳動，主動叉軸的轉速、轉角分別用ω1、φ1表示，被動叉軸的轉速、轉角分別用ω2、φ2表示。由汽車理論可知，存在如下關系：

(1)

若夾角α不變，將式(1)兩邊對時間求導數，整理后可得：

(2)

傳動軸兩種安裝方式如圖2所示。

圖2 傳動軸兩種安裝方式

以輸入怠速750 r/min為例，在不同傳動軸夾角α時，變速器一軸轉速波動范圍理論計算見表1。

表1 不同偏移角度轉速波動理論計算結果

2 模型系統搭建及測試

利用上述原理，搭建模擬轉速波動的系統，模擬系統主要包含電機輸入系統、轉速波動實現部分、平移機構和變速器安裝部分。模擬系統裝置如圖3所示。測試時，安裝某6擋手動變速器，電機輸出穩定轉速為750 r/min，傳動軸兩個萬向節偏轉90°且傳動軸與電機軸線有夾角(夾角依靠平移機構調節變速器安裝支架的位移來實現)。

圖3 模擬發動機轉速波動系統裝置

通過測試，當電機輸出轉速為750 r/min、傳動軸偏角約為5°時，一軸轉速波動有效值為6.1 r/min；偏角約為7°時，一軸轉速波動有效值為13.2 r/min；偏角約為9°時，一軸轉速波動有效值為22.5 r/min;偏角約為11°時，一軸轉速波動有效值為30.4 r/min，如圖4所示。

各偏移角度的轉速波動頻率也與計算值相同，且隨著轉速波動增大，殼體上也出現同轉速波動頻率一致的振動，振動值也隨傳動軸偏移角度的增加而逐漸增大。實測值與理論計算值也幾乎一致，證明模擬發動機轉速波動的功能正常，對比結果見表2。

圖4 各偏角一軸轉速與振動測試數據(750 r/min)

表2 模擬系統實測數據與理論計算對比

3 整車轉速波動數據與模擬系統數據對比

整車測試傳感器布置如圖5所示。

圖5 整車測試傳感器布置

為了更好地模擬發動機轉速波動，解決怠速波動產生的異響敲擊問題，將臺架模擬的轉速波動與整車怠速時的轉速波動值進行對比，整車測試選擇配裝與臺架模擬系統相同型號的6擋手動變速器整車，發動機怠速時，分別選取油溫19 ℃時的實車數據與臺架偏轉7°的結果、油溫28 ℃時的實車數據與臺架偏轉5°的結果進行對比，對比曲線如圖6和圖7所示。從對比數據可以看出，模擬系統很好地模擬了實車轉速波動，時域轉速波動信號幅度幾乎一致，波動頻率及貢獻較大的頻率段模擬也都一致。

為驗證離合器對轉速波動的抑制作用，在模擬系統上安裝離合器，測試的轉速波動及有無離合器對比如圖8所示。從測試數據可以看出，離合器較好地抑制了怠速轉速波動。從側面說明此模擬系統可從整車離合器匹配方面快速驗證降低轉速波動的措施及積攢離合器與變速器匹配在降低轉速波動方面的經驗。

圖6 整車數據與臺架數據時域和頻域信號對比結果(油溫19 ℃;臺架偏轉7°)

圖7 整車數據與臺架數據時域和頻域信號對比結果(油溫28 ℃;臺架偏轉5°)

圖8 偏移7°時變速一軸有離合器和無離合器轉速波動對比

4 仿真模型建立與對比

為進一步驗證模擬系統，利用仿真模型進行深入對比研究，基于AMESim建立某6擋變速器怠速敲擊仿真模型，仿真建模采用集中質量模型，根據變速器總成圖紙進行合理簡化和等效，模型如圖9所示。通過一軸轉速的仿真及試驗對標，進一步研究各參數對怠速敲擊的影響。仿真數據與模擬系統測試數據對比如圖10和圖11所示。通過對比可以看出，仿真模型與模擬系統彼此驗證較好，證明基于二階轉速波動的模擬系統可以利用仿真模型和模擬系統進行機制研究和怠速波動驗證，后續還可進行基于轉速波動的嚙合敲擊力的仿真，從而找到在怠速轉速波動下貢獻最大的空套齒輪副等應用研究。

圖9 仿真模型

圖10 仿真與測試數據對比(輸入轉速600 r/min)

圖11 仿真與測試數據對比(輸入轉速900 r/min)

5 結論

文中介紹了一種模擬發動機轉速波動的測試系統，該系統可完全模擬四缸發動機的轉速波動，而且該模擬系統的測試信號與實車采集的轉速波動信號幾乎一致，模擬的振動頻率也與實車匹配。另外還建立模擬系統和某6擋手動變速器的仿真模型，將測試數據與仿真數據進行對標，證明模擬系統和仿真模型的可靠。后續結合模擬系統和仿真模型可深入研究轉速波動的機制和驗證解決轉速波動異響的措施，從而解決怠速異響敲擊問題，減少客戶抱怨和索賠情況的發生。