三圓幅值法優化某中巴車傳動系動平衡研究

摘" 要：某中巴車在80km/h以上車內有明顯的轟鳴和振動，經試驗測試分析確定為傳動系一階不平衡導致。根據現有技術水平，難以對整個傳動系統組件進行整體動平衡下線檢測和控制，本文首先對傳動系動平衡技術進行了總結，對三圓動平衡進行了理論分析。并采用三圓幅值法在傳動軸和后主減連接位置傳動軸側對整個傳動系統進行了重新動平衡，試驗結果表明，優化前后駕駛員座椅導軌傳動系一階振動RSS峰值降低了73%，車內傳動系一階噪聲峰值由降低了15%，高車速車內轟鳴和振動消失，問題得以解決，說明三圓幅值法解決類似工程實際問題快速有效。

關鍵詞：傳動系；階次分析；三圓幅值；動平衡；振動

中圖分類號：U463.2" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0009-07

Study on the Optimization of the Dynamic Balance of the Transmission System of a Medium Bus by the Three-circle Amplitude Method

ZHAO Jian1，2， SONG Yu1，2， WANG Ming-zheng1，2， ZHONG Chong-fa1，2， CHEN Xi1，2

（1. China First Automobile Group Co.， Ltd. Research and Development Institute， Changchun 130022， China；2.National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130022， China）

Abstract： A minibus has obvious roaring and vibration in the vehicle when the speed is more than 80km/h， which is determined to be caused by the first order imbalance of the transmission system through test and analysis. According to the existing technical level， it is difficult to carry out offline detection and control of the overall dynamic balance of the entire transmission system components. First， this paper summarizes the dynamic balance technology of the transmission system， and makes a theoretical analysis of the three circle dynamic balance. The three circle amplitude method is used to re balance the whole transmission system at the transmission shaft and the transmission shaft side at the connection position of the rear main reducer. The test results show that the peak value of the first order vibration RSS of the optimized front and rear driver seat rail transmission system is reduced from 4.12g to 1.12g， and the peak value of the first order noise of the transmission system in the vehicle is reduced from 101dB to 86 dB. The rumble and vibration in the vehicle at high speed disappear， and the problem is solved， It shows that the three circle amplitude method is fast and effective in solving practical problems of similar projects.

Key Words： Drive train; Order analysis; Amplitude of three circles; Unbalance; Vibration

在中巴車發展的過程中，尤其在高端細分市場層面市場競爭激烈，不管是用戶還是主機廠對車輛的NVH（noise、vibrationamp;harshness）性能也越來越重視。傳動系統作為車輛動力傳遞的“大動脈”，也是生產車輛NVH問題的重要激勵源。傳動系統NVH控制的主要難點除了涉及到的零部件較多，還因為其布置形式和材料各異，且涉及到大量的非線性原因[1]。汽車傳動系統產生的NVH問題種類繁多，比如離合器顫振、齒輪嘯叫、變速器嘯叫、傳動系扭振、傳動軸高頻輻射噪聲和傳動系動不平衡導致的傳動系階次振動噪聲等問題，而針對后驅車或者四驅車傳動系產生的動平衡問題是常見的市場抱怨NVH問題。

針對傳動系的動不平衡問題，國內外學者已經做了大量的研究工作。姚遠對傳動軸產生不平衡原因進行了說明[2]。文獻[3]用建立了標準模型，然后用有限元法計算并識別出了關鍵不平衡點。文獻[4]提出了低速全息平衡法。文獻[5]建立了改進全息動平衡法。文獻[6]對現場動平衡技術的研究進展進行了總結。文獻[7-8]對影響現場動平衡的因素進行了研究。文獻[9]系統的對旋轉機械動平衡原理進行了闡述，文獻[10]對轉子的振動能反應出轉子的不平衡量提出了質疑，文獻[11]基于影響系數法進行現場動平衡理論對傳動系統不平衡和車內傳動系一階轟鳴聲之間的關系進行了研究，但沒有文獻對三圓幅值法在車輛上的應用開展理論和試驗研究。

本文對三圓動平衡法進行了理論說明和驗證，并采用該方法針對某中巴車車內轟鳴和振動問題進行了傳動系現場動平衡，傳動系現場動平衡后，問題得以解決，為類似車輛市場抱怨問題的解決提供了重要的工程實踐參考。

1" " 傳動系結構和階次問題

傳動系統是轉頻不斷變化的機械系統，而針對這種系統目前具有比較成熟的分析手段，那就是階次分析。階次分析指的是從周期載荷作用下的系統測量中提取正弦分量的方法。

本文針對的是后驅中巴乘用車，其基本結構參考模型見圖1。該車型傳動軸為三段式結構共兩個中間支承組成。中間支承通過支架連接到車架上，車架和車身通過襯套連接。

1.1" "傳動系不平衡概念和原因分析

旋轉機械均可能存在動平衡的問題，汽車上最典型的旋轉零部件如車輪、風扇和傳動系等，在這些產品開發過程中都需要考慮其動平衡，動平衡不好不僅會極大的降低部件使用壽命和效率，而且嚴重影響整車NVH性能。不平衡分為靜不平衡、耦合不平衡和動不平衡。這些不平衡均是由于旋轉件在旋轉軸線上的質量分配不均勻所導致的。傳動軸不平衡量引起的離心力計算公式見（1）：

（1）

F為離心力；M為轉子質量；re為旋轉中心的距離；m為不平衡的質量；ru為旋轉中心與不平衡圓的距離；ω為轉子的角速度；n為轉子轉速不平衡方程示意圖見圖2：

不平衡量為[質量]×[距離]，常用的單位是g·cm。

旋轉機械產生不平衡的原因主要有：

1、質量分布不均勻。

2、軸中心線和安裝中心線平行但不相交或者相交但不平行。

3、軸本身彎曲。

4、軸系各安裝部件之間間隙使軸的旋轉運動偏離了中心。

圖3是質量分布不均勻的示意圖。圖4是運動間隙累計導致的動不平衡示意圖。

1.2" "車輛傳動系一階振動噪聲問題

該中巴車在加速和滑行工況下，80km/h以上車內有明顯的轟鳴和振動，且和檔位無關，此問題只和車速正相關，實際上，類似問題多發生在車輛研發過程中，市場上也存在偶發現象。為了確認問題，按照圖5和圖6布置傳感器和麥克風，傳動軸前后中間支承位置、后橋殼和傳動軸連接位置后橋殼凸緣位置布置三向加速度傳感器。車內駕駛員外耳、第二排左側內耳和第五排左側內耳布置傳聲器，駕駛員座椅導軌和車內底板分別布置三向加速服振動傳感器，為了采集數據的一致性，根據經驗，車輛加速到130km/h以上滑行到60km/h，采集車速、傳動軸轉速和相應的振動噪聲信號。

對測試數據進行分析，各測點colormap圖見圖7，可以明顯看出，各測點均有明顯的傳動系一階導致的亮點。結合主觀評價，在80km/h以上不可忍受。

2" " 現場動平衡技術

2.1" "常用現場動平衡方法簡介

轉子現場動平衡理論概念是有明日合彥首先提出來的。由于旋轉機械向高速化和巨大型體化方向的發展，現場動平衡技術和理論也獲得了快速的進步，變成了旋轉機械研究的一個熱點。傳遞矩陣法和有限元法是計算轉子動力學的常用的方法。文獻[12]提出了傳遞矩陣法計算柔性轉子不平衡響應。文獻[13]第一次提出用有限元法模擬分析轉子系統動平衡。以美國Goodman為代表的學者提出了將動平衡問題轉換為線性方程的影響系數法。文獻[14]對小阻尼支撐的轉子系統提出了無試重的模態平衡法進行了研究。文獻[15]提出了用于柔性轉子動平衡的全息平衡法。這幾種對轉子系統進行現場動平衡的方法都對現場動平衡的技術發展和理論創新產生了重大的影響。

三圓幅值法是另一種轉子系統現場動平衡的方法，這種方法不需要測量不平衡適量的精確相位角。對于市場上或者研發過程中汽車整車出現的傳動系不平衡問題，三圓幅值法準確直觀，快速省時。仍有重要的工程實踐意義和廣泛的應用。

2.2" "三圓幅值法操作步驟

三圓幅值法動平衡操作步驟如下：

步驟1、將需要動平衡的傳動軸平衡面外圓三等分，分別標記為A、B、C點，相互夾角為120°，如圖8所示：

步驟2、在各標記點位置先后安裝試重塊，用于激起傳動系統一階不平衡，進而產生傳動軸一階振動。鑒于現有經驗，本次試驗采用30g試重塊，試重塊充分固定在傳動軸上，保證在傳動軸高速旋轉時不發生脫落。為了試驗測試結果的一致性，采用帶擋減速滑行，車速范圍：130km/h -40km/h，依次完成以下試驗內容：

a）不加試重塊的傳動軸原狀態條件下，完成130km/h-40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為R0；

b）A點安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RA；

c）B點安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RB；

d）C點安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RC。

每組試驗測試三組有效數據。記錄下傳動軸轉速、車速和振動噪聲測點信號。

步驟3、在整個滑行過程中找到振動（噪聲）峰值位置用相同比例做振動向量圖，首先以R0為半徑畫圓，圓心為O，記為0圓；然后把0圓參考圖13三等分，均分點記為A、B、C。然后分別以A為圓心，RA為半徑畫出圓A，圓A和圓B的交點記為AB；以B為圓心RB為半徑畫出圓B，圓B和圓C的交點記為BC；以C為圓心，RC為半徑畫出圓C，圓C和圓A的交點記為CA，做AB，BC、CA三角形的外接圓，圓心O1為見圖9。

步驟4、把圓心O和O1連接到一起，并延長O和O1連接線到圓O，圓O和OO1相交與點P，測量OA和OO1之間的夾角α。平衡位置為P點，平衡重大小按照公式（2）確定。

（2）

2.3" " 三圓幅值法傳動軸現場動平衡解析

傳動軸初始不平衡量及位置未知，將其假設在傳動軸某截面上，不平衡量為m0，不平衡量位置為距點A逆時針方向弧度φ上，如圖1所示， 則不平衡量在坐標x、y軸上的分量大小見方程（3）。

（3）

傳動軸不平衡量m0及φ位置的計算方法如下：

1）傳動軸以某一工作轉速Ω運行，測量此時的振動加速度，其中由不平衡量引起的一階振動總值RSS大小為a0，此時存在一個換算系數 k（N/kg2），滿足公式（4）：

（4）

2）在點A位置粘貼不平衡大小為Δm的質量塊，傳動軸以工作轉速Ω下運行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a1，滿足公式（5）：

（5）

3）在點B位置粘貼不平衡大小為Δm的質量塊，傳動軸以工作轉速Ω下運行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a2，滿足公式（6）。

（6）

4）在點C位置粘貼不平衡大小Δm為的質量塊，傳動軸以工作轉速Ω下運行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a3，滿足公式（7）：

（7）

聯立方程（4）-（7）得不平衡量及相位：

（8）

（9）

（10）

得的傳動軸不平衡量及相位如公式（11）和（12）：

（11）

（12）

3" " 傳動系一階問題優化和解決

3.1" "試驗分析過程

本次試驗在底盤測功機上開展，采用車帶轂模式，轂面為瀝青路面。振動傳感器量程為50g，為了試驗可靠性，試驗之前對車輛進行檢查，確保了車輛安全系統、油液、電氣與機械等系統處于安全狀態，輪胎胎壓要求達到設計要求，數據采集與分析參數設置如下：

a）分析頻率范圍：10Hz～100Hz。

b）頻率分辨率：1Hz。

c）計算方式：跟蹤傳動軸轉速，并提取傳動軸一階振動分量。

振動信號用公式（13）計算：

（13）

式中：ax、ay、az分別為整車x、y、z三個方向振動加速度，單位為m/s2。

按照三圓幅值法現場動平衡步驟，測試獲得各測點振動噪聲傳動系一階曲線，經對比分析，選取傳動軸3400rpm位置峰值作為基準點對傳動系統進行現場動平衡，限于篇幅，本文只列舉出后主減殼體振動加速度RSS曲線（圖10）。雖然本中巴車為三段式傳動軸，但根據傳動軸開發流程，傳動軸下線四個動平衡位置的剩余動不平衡滿足目標，而由于傳動軸最前面等效不平衡面和動力總成連接，而動力總成經過發動機懸置衰減后，傳遞到車架而后傳遞到車身的振動非常有限。而后主減和傳動軸連接后，該位置的剩余動平衡量無法控制，若后主減輸入端法蘭的剩余動不平衡和傳動軸末端剩余動不平衡量均較大且輕點位置疊加，就會導致更大的剩余動不平衡，傳動軸高速旋轉，其旋轉產生的階次力就會通過后橋和車架傳遞到車身，若和車內聲腔模態發生耦合共振就會導致車內轟鳴和振動。所以選擇傳動軸末端面采用三圓幅值法開展現場動平衡試驗。

按照三圓幅值法理論，峰值處動不平衡，計算得的平衡重為43g，相位為44°。

3.2" "試驗結果

按照上述三圓幅值動平衡方法對中巴車進行試驗測試和分析，動平衡前后各測點傳動系一階振動噪聲數據見圖11：

從結果可見，用三圓幅值現場動平衡方法對傳動軸后端進行動平衡前后，駕駛員外耳和車內二排傳動系一階峰值噪聲均由103dB降低到了90dB，降低了13dB，五排座椅傳動系一階噪聲峰值為101dB降低到了86dB，降低了15dB，駕駛員座椅導軌傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.18g降低到了0.04g，傳動軸前中間支撐傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.31g降低到了0.1g，傳動軸后中間支撐傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.32g降低到了0.08g，后主減傳動系一階振動加速度RSS峰值由1.04g降低到了0.24g。經評價原來抱怨的車內80km/h以上轟鳴和振動已消失，問題得以解決。

4" " 結論

1.本文對傳動系不平衡概念和原因進行了分析，對現場動平衡方法進行了總結說明，考慮到實際工程應用的簡潔和效率，本文選擇了三圓幅值法對問題車輛進行現場動平衡。

2.針對80km/h以上出現的傳動系一階動平衡過大導致的車內轟鳴和振動問題，驗證了三圓幅值法現場動平衡的有效性和實用性。

3.經過現場動平衡，車內傳動系一階噪聲降低了13dB以上，振動降低到了0.3g以下。經過評價，車內抱怨的低頻振動噪聲問題得以解決。

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專家推薦語

李少華

東風商用車技術中心動力總成部

傳動系統總工程師" 研究員高級工程師

本文分析總結了傳動系動平衡技術。在某中巴車傳動軸和后主減連接位置傳動軸側對整個傳動系統采用了三圓幅值法重新動平衡分析應用實踐，解決了動不平衡導致的轟鳴和振動問題。三圓幅值法分析傳動系統動平衡有很好的借鑒意義。