唐振天，劉夫云，劉文華，余漢紅，胡汝凱

（1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004；2.桂林福達股份有限公司，廣西 桂林541004）

大部分的載貨汽車采用前置后驅的動力傳動系統(tǒng)，一般由發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、后橋、半軸及車輪組成，這些零部件的慣量、剛度和阻尼組成一個多自由度的扭轉振動系統(tǒng)。各部分的剛度、阻尼和慣量參數(shù)均對整車傳動系統(tǒng)扭轉振動有影響。

對于汽車傳動系統(tǒng)的扭轉振動，國內外許多學者都做過研究。Sturesson P O等通過傳遞路徑分析對傳動系統(tǒng)N＆V 進行分析和優(yōu)化[1]。Constantin F等運用分段仿射模型對汽車振動阻尼做了研究[2]。Robin Temporelli 等對車輛平穩(wěn)行駛和加速下離合器的滑動準確控制做了分析和研究[3]。吳光強等對傳動系統(tǒng)相關的NVH 問題做了總結和綜述[4]，具有很有價值的參考意義。袁旺對乘用車3檔加減速工況進行仿真研究，發(fā)現(xiàn)小剛度的離合器扭轉減振器可以有效改善傳動系的瞬態(tài)性能[5]。鄧聚才等對載貨汽車平順性不穩(wěn)定的問題，對非線性動剛度對平順性的影響做了分析[6]。趙騫針對十字萬向節(jié)激勵引起的振動，探討了從激勵、傳遞路徑到響應3方面優(yōu)化傳動系統(tǒng)的扭振[7]。葉年業(yè)等對前置后驅MPV的扭振問題，通過CAE分析提出使用大轉角離合器或雙質量飛輪減小車輛扭振[8]。蘆浩等設計了4 自由度的集中質量模型，提出了離合器剛度與阻尼優(yōu)化方法[9]。羅軼超等針對傳動軸2 階次激勵下的車體抖動，對傳動軸叉節(jié)相位、中間支撐剛度等做了影響分析[10]。諸多學者對傳動系統(tǒng)扭轉振動做了分析和優(yōu)化研究，然而對于確定發(fā)生扭振問題的根源的相關試驗文獻還較少。

某國產(chǎn)載貨汽車在高速檔位平穩(wěn)行駛時出現(xiàn)間歇的頓挫與抖動，經(jīng)多方排查仍無法找出問題。且該型號車輛有多輛出現(xiàn)類似問題，在重載時表現(xiàn)更為明顯，初步斷定為傳動系統(tǒng)扭轉振動導致。本文通過設計與分析重載牽引車扭振測試方案并分析整車試驗數(shù)據(jù)，研究傳動系統(tǒng)結構與扭振的關系，進而找出問題車輛產(chǎn)生抖動等問題的根源，為分析車輛此類振動問題提供一定的參考。

1 測試概況

1.1 車輛技術參數(shù)

本文研究的車輛為某重型載貨汽車，發(fā)動機為6.9 L 直列6 缸柴油機，最大功率250 kW，最大扭矩1 280 N·m，離合器為干式膜片彈簧離合器，變速器為10 檔雙中間軸變速器，軸距3 500 mm，輪胎規(guī)格12 R20。

1.2 問題車輛抖動問題

問題車輛在低檔位平穩(wěn)行駛和加速工況行駛正常，在高速檔位平穩(wěn)行駛時，出現(xiàn)間歇性抖動，以6－8檔較為明顯，車內主觀感受明顯，初步推測為傳動系統(tǒng)扭轉振動所致。

2 整車試驗設計

2.1 試驗目的

對整車行駛工況下的振動數(shù)據(jù)進行采集，測試和分析整車傳動系統(tǒng)扭轉振動，通過篩選和分析數(shù)據(jù)，定位產(chǎn)生抖動問題的原因，以便提供措施改善問題車輛抖動問題。

2.2 傳感器布置

因問題車輛出現(xiàn)抖動在較高車速平穩(wěn)行駛工況下，因此整車試驗選擇在車流量較少的郊區(qū)平直道路上。測試設備主要為Siemens LMS SCADAS 及其配套設備，筆記本電腦等。為了全面收集整車傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)，便于后期整理和分析，實驗前設計了合理的試驗方案，各傳感器布置和數(shù)量如下表所示。

其中，轉速傳感器收集轉速信號，后期可對頻率、階次等進行分析；聲學傳感器收集噪聲大?。患铀俣葌鞲衅魇占瘻y試點平動加速度大小。

圖1和圖2分別為布置在發(fā)動機飛輪端的轉速傳感器，司機座椅處的聲學傳感器和駕駛室主被動端單向加速度傳感器。

圖1 飛輪及變速器端轉速傳感器

圖2 司機座椅導軌三向傳感器及副駕聲學傳感器

2.3 測試方案設計

為保證采集的試驗數(shù)據(jù)有效，便于后期數(shù)據(jù)分析以定位問題根源，根據(jù)試驗前試車的主觀感受，制定了有效的試驗方案。試車主觀感受為6－8 檔行駛時出現(xiàn)抖動，試驗計劃采集6－8 檔加速、平穩(wěn)行駛時扭振數(shù)據(jù)，分別跟蹤時間和跟蹤轉速，同時采集無問題的5檔數(shù)據(jù)做對比，每個工況收集3組數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)有效性，詳細試驗方案與測試現(xiàn)場如下。

表1 傳感器布置

表2 試驗方案設計

圖3 路試現(xiàn)場圖

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 轉速數(shù)據(jù)分析

通過觀察噪聲數(shù)據(jù)，各檔位在駕駛室噪聲值相差不大，與主觀感受一致，故主要分析車內振動來源。

將上述試驗采集的振動數(shù)據(jù)進行處理，分析不同工況下發(fā)動機和變速器波動情況，其波動幅值越大則振動越明顯。振動大小可用overall level(總振級值)表示，overall level 用于衡量信號中的總動態(tài)能量[11]，表征總能量隨時間或轉速的變化關系。overall值越大則振動越大。

圖4－圖7為5－8檔發(fā)動機和變速器轉速情況，由圖可知，在6－8 檔平穩(wěn)行駛時，發(fā)動機轉速基本穩(wěn)定，變速器轉速出現(xiàn)間歇性突變與波動，且變速器幅值比發(fā)動機幅值大。

表3為各圖對應的發(fā)動機和變速器overall 值。由表3可見，5 擋無問題檔位，變速器overall 值略小于發(fā)動機，兩者均處于較小值，而出現(xiàn)振動的6－8檔，變速器overall值遠大于發(fā)動機，其中又以7檔最為明顯。

圖4 5加速及平穩(wěn)行駛

圖5 6檔平穩(wěn)行駛

圖6 7檔平穩(wěn)行駛

圖7 8檔平穩(wěn)行駛

表3 轉速測試數(shù)據(jù)

3.2 階次與頻率分析

分別對6－8 檔作階次與頻率分析。通過彩圖(colormap)分析，對振動最大處作階次切片。階次是結構旋轉部件因旋轉造成的振動或噪聲的響應，階次響應與轉速和轉頻之間有對應關系(式(1))，確切地說階次是轉速或轉頻的倍數(shù)[11]。

式中：f為頻率，order為階次，r/min為轉速。

圖8、圖9和圖10為各檔位變速器階次跟蹤彩圖及7檔發(fā)動機與變速器階次切片。

圖8 6檔階次跟蹤

圖9 7檔階次跟蹤

圖10 8檔階次跟蹤

數(shù)據(jù)顯示，變速器振動明顯處分別出現(xiàn)在6 檔1.1階次、7檔1.48階次和8檔2階次。

因測試傳感器安裝在變速器輸入軸的常嚙合齒輪處，結合傳動比考慮，問題車輛6－8 檔傳動比分別為1.81、1.35 和1，由此可見振動階次與傳動比的乘積均約為2。

結合階次切片，以振動最明顯的7檔為例。6缸發(fā)動機本身振動最明顯為3階次，問題車輛在7檔行駛時，發(fā)動機3 階次振動峰值為3.12,在1.48 階次振動峰值為2.49，略小于發(fā)動機本身振動，而變速器1.48階次振動峰值多達19.1。

3.3 抖動原因分析

由以上分析可見，因離合器后端傳動件扭轉振動與飛輪轉速關系不明顯，扭轉振動不是發(fā)動機或離合器所導致的；而是變速器輸入軸以后某旋轉件扭轉共振導致。而由于問題檔位的階次與傳動比乘積均為2，可認為是變速器之后某旋轉件以2倍頻率發(fā)生扭轉共振。對比圖6和圖12，變速器開始抖動時，駕駛室懸置和座椅導軌overall 值開始有一定的突變和上升趨勢。

由3.1 的分析可知，抖動并非一直存在，而是平穩(wěn)行駛時出現(xiàn)間歇性的振動，可以推斷，間歇性扭轉振動問題可能是由阻尼的非線性導致的，當非線性系統(tǒng)處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)時，系統(tǒng)激勵的微小變化有可能導致出現(xiàn)響應突變的不穩(wěn)定現(xiàn)象[6]。

由于車輛變速器后只有傳動軸與后驅動橋相連，而重載貨車后橋出現(xiàn)非線性阻尼而導致問題的可能性不大，且后橋各檔位的測試數(shù)據(jù)無異樣，可以認為激勵由傳動軸產(chǎn)生。

當十字萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定的夾角α時，會產(chǎn)生不均勻的角速度，導致扭轉激勵[12]，扭轉振動激勵頻率為傳動軸旋轉頻率的2 倍，如下式

式中：T1為變速器輸出軸轉矩，T2為傳動軸轉矩；ω1為變速器輸出軸角速度，ω2為傳動軸角速度，φ為變速器輸出軸角度，α為萬向節(jié)主被動節(jié)叉角。

圖11 7檔發(fā)動機3階次、1.48階次與變速器1.48階次切片

圖12 駕駛室及座椅加速度

傳動軸在傳遞扭矩的過程中也會產(chǎn)生一定的附加彎矩，如下式所示

其中：Ts為萬向節(jié)附加彎矩，其余參數(shù)同式(2)。

隨著α、φ的變化，系統(tǒng)產(chǎn)生力偶波動于激勵，其激勵頻率為傳動軸轉速的2倍。傳動軸不均勻角度或附加彎矩產(chǎn)生的2階激勵均可往前傳遞至變速器乃至經(jīng)離合器到發(fā)動機，同時也經(jīng)變速器懸置、駕駛室懸置等傳到車身板件和駕駛室。

圖13 激勵傳遞路徑

3.4 改進措施及測試

根據(jù)上述分析的結論確認車輛十字萬向節(jié)及傳動軸為對車輛傳動系統(tǒng)產(chǎn)生抖動的原因，據(jù)此對車輛做出改進措施，經(jīng)過更換該車輛傳動軸、更換萬向節(jié)以及吊架膠套等零件，根據(jù)2.2 及2.3 所述方案再進行路試。

測試結果顯示，之前出現(xiàn)抖動的問題檔位上，發(fā)動機和變速器在緩加速和平穩(wěn)行駛時無明顯波動。在主觀感受上，駕駛室振動明顯減小，無間歇性的明顯抖動。

4 結語

圖14 改進后7檔測試圖

(1)本文對問題車輛進行了傳動系統(tǒng)的扭振測試，針對問題車輛的抖動表現(xiàn)設計了合理的試驗方案。

(2)在各檔位下，發(fā)動機轉速變化不大，變速器可以很好衰減發(fā)動機轉速波動。變速器在6-8 檔平穩(wěn)行駛時出現(xiàn)明顯的間歇性的轉速波動，傳動軸的2階次激勵通過傳動系統(tǒng)傳遞至變速器和發(fā)動機，同時通過變速器懸置等傳至車身和駕駛室。

(3)進一步地，確定傳動軸和萬向節(jié)處引起車輛傳動系統(tǒng)扭轉振動，通過更換車輛傳動軸和萬向節(jié)，該車抖動明顯改善，問題得到解決。本文傳動系統(tǒng)扭轉振動的試驗設計和分析，可為測試車輛扭轉振動或定位傳動系統(tǒng)振動故障提供一定的參考，具有一定的工程實踐意義。