黃豐云,宋鵬程
(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展,人們對(duì)車(chē)輛性能及舒適性的要求不斷提高,作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的動(dòng)力傳遞系統(tǒng),傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)直接影響汽車(chē)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise,vibration,harshness,NVH)性能。所以,建立精確的傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析模型,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)及后期解決傳動(dòng)系扭振問(wèn)題具有重大意義。目前,傳動(dòng)系扭振理論模型的建立,主要有集中參數(shù)模型、分布參數(shù)模型等[1],集中參數(shù)模型將軸系分為若干個(gè)集中質(zhì)量,質(zhì)量間由彈性系統(tǒng)連接,便于分析計(jì)算系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)特性,其形式簡(jiǎn)單,應(yīng)用廣泛,但目前廣泛采用的集中質(zhì)量法[2-4],沒(méi)有考慮傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)輸入、輸出軸不等速特性及主減齒輪嚙合剛度對(duì)傳動(dòng)系扭振的影響,建模過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)化;分布參數(shù)模型采用連續(xù)分布的參數(shù)來(lái)構(gòu)造軸系模型,其對(duì)軸系的描述更為精確,但多用偏微分方程,求解困難[5];計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在傳動(dòng)系扭振分析上的應(yīng)用也較廣泛,但其具有一定的失真度;試驗(yàn)技術(shù)[6]雖能迅速找出問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決方案,但無(wú)法在整車(chē)設(shè)計(jì)之初對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究以避免可能出現(xiàn)的問(wèn)題,且需制造相應(yīng)試驗(yàn)樣件,增加了開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本。而對(duì)于傳動(dòng)系存在的扭振問(wèn)題,目前也提出了較多有效的解決辦法,使用雙質(zhì)量飛輪以隔離發(fā)動(dòng)機(jī)本身扭振波動(dòng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響;在傳動(dòng)系統(tǒng)適當(dāng)位置增加扭轉(zhuǎn)減振器以減小相應(yīng)頻率下的傳動(dòng)系扭振響應(yīng)等。
某公司MPV(Multi-Purpose Vehicles)車(chē)型存在車(chē)內(nèi)噪聲過(guò)大引起的乘客抱怨問(wèn)題,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),初步判定由傳動(dòng)系扭振導(dǎo)致,以此為背景,建立綜合考慮萬(wàn)向節(jié)不等速特性及后橋齒輪嚙合剛度的傳動(dòng)系集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型,對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究分析。
前置后驅(qū)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源將扭矩傳遞至離合器、變速箱,再通過(guò)傳動(dòng)軸、后橋到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪。由于組成傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)總成的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分布參數(shù)模型求解困難,因此根據(jù)集中參數(shù)法的等效原則,建立易于數(shù)值求解的傳動(dòng)系集中參數(shù)扭振模型。所研車(chē)型采用三軸式手動(dòng)變速箱,建立3檔傳動(dòng)系扭振模型進(jìn)行扭振分析。變速箱3檔動(dòng)力傳遞途徑,如圖1所示。
圖1 變速箱齒輪嚙合狀態(tài)Fig.1 Gear Meshing State of Gearbox
由于變速箱嚙合齒輪間剛度較大,故嚙合齒輪對(duì)之間可視作剛體,基于集中質(zhì)量等效原則,根據(jù)動(dòng)力傳遞途徑將變速箱劃分成4個(gè)當(dāng)量集中慣量,如圖1所示。分別為J1~4,其中,J1包含飛輪及離合器的等效集中慣量。集中慣量間的扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼分別為 K1~3、C1~3。階梯軸可視為串聯(lián)軸系,軸的扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼計(jì)算公式如下。
軸的扭轉(zhuǎn)剛度按式(1)進(jìn)行求解[7]:
軸的扭轉(zhuǎn)阻尼按式(2)進(jìn)行求解[7]:
式中:K—扭轉(zhuǎn)剛度;G—軸管剪切模量;Ip—極慣性矩;L—軸的長(zhǎng)度;D—軸的外徑;d—軸的內(nèi)徑;C—軸的扭轉(zhuǎn)阻尼;ζ—阻尼系數(shù),一般為 0.005-0.075,這里取 0.05;Ja、Jb—軸類零件兩端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
串聯(lián)軸系的扭轉(zhuǎn)剛度可按式(3)進(jìn)行求解:
式中:k—串聯(lián)軸系等效剛度;k1~n—各軸段的扭轉(zhuǎn)剛度。
所研車(chē)型傳動(dòng)系的傳動(dòng)軸、主減速器及半軸等的布置方式,如圖2所示。
圖2 傳動(dòng)系布置方式Fig.2 Layout of Driveline System
根據(jù)所研車(chē)型傳動(dòng)軸及后橋的布置方式,根據(jù)集中質(zhì)量法等效原則,將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行一定的離散簡(jiǎn)化,建立傳動(dòng)系扭振分析模型,如圖3所示。
圖3 傳動(dòng)系扭振模型Fig.3 Model of Torsional Vibration of Driveline System
依據(jù)拉格朗日建模理論,忽略傳動(dòng)系的扭矩?fù)p失,建立傳動(dòng)系統(tǒng)的純扭轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型,如式(4)所示:
式中:K1~4—變速箱系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J5~8—傳動(dòng)軸向兩端萬(wàn)向節(jié)離散等效后繞各自軸線的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J9~12—主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪(含差速器總成)、半軸(含輪轂及車(chē)身)繞其軸線的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ1~12、θ˙1~12、θ¨1~12—各慣量的扭轉(zhuǎn)位移、角速度、角加速度;K1~3、C1~3—變速箱各質(zhì)量點(diǎn)間的等效扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼;K4~5、C4~5—傳動(dòng)軸各質(zhì)量點(diǎn)間的等效扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼;kn(t)、Cn(t)—主被齒輪副時(shí)變扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼;K6~7、C6~7—半軸等效扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼;T1發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩;T8~9加載在半軸輪轂上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)式(4),得矩陣形式的扭振動(dòng)力學(xué)方程:
式中:J—等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣;C—等效阻尼矩陣;K—等效剛度矩陣;T—扭矩矢量矩陣;θ、θ˙、θ¨—角位移、角速度、角加速度向量。
由于十字萬(wàn)向節(jié)軸間夾角的存在,導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)輸入、輸出軸存在非等速性。傳動(dòng)系傳遞動(dòng)力達(dá)到穩(wěn)定時(shí),其傳動(dòng)軸各萬(wàn)向節(jié)軸間的轉(zhuǎn)角關(guān)系[7]如下:
式中:α1~3—各萬(wàn)向節(jié)輸入、輸出軸間夾角。
不考慮萬(wàn)向節(jié)傳遞過(guò)程中的扭矩?fù)p失時(shí),各節(jié)軸間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為:
聯(lián)立式(5)至式(7),可對(duì)建立的傳動(dòng)系扭振模型進(jìn)行數(shù)值求解。
數(shù)值求解前,需確定等效模型中的各個(gè)參數(shù)。將傳動(dòng)系模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件,通過(guò)UG計(jì)算出各部件繞回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;根據(jù)模型相關(guān)物理參數(shù),通過(guò)式(1)~式(3)可得出各集中質(zhì)量點(diǎn)間的扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼值。后橋主、被動(dòng)齒輪間線性嚙合剛度km[8]:
式中:zv1、xn1—主動(dòng)齒輪的當(dāng)量齒數(shù)、變位系數(shù);zv2、xn2—被動(dòng)齒輪的當(dāng)量齒數(shù)、變位系數(shù)。
齒輪的扭轉(zhuǎn)平均嚙合剛度kn[9]:
式中:ra、rb—主、被齒輪節(jié)圓半徑。
由于齒輪副實(shí)際嚙合過(guò)程中,其嚙合剛度存在較為顯著的時(shí)變特征,可使用傅里葉級(jí)數(shù)將嚙合剛度進(jìn)行展開(kāi),表示為[8]:
式中:kn(t)—齒輪副時(shí)變扭轉(zhuǎn)剛度;δi—齒輪副嚙合剛度i階波動(dòng)系
數(shù);ω—齒輪副嚙合頻率;φi—齒輪副動(dòng)態(tài)嚙合剛度初相位。
考慮到所研車(chē)型采用直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī),其發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩存在波動(dòng)且以2階主諧量激振扭矩為主要激振扭矩[10],將輸出扭矩設(shè)定為:
式中:T0—發(fā)動(dòng)機(jī)平均輸出扭矩;δ—轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù);ω—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出角速度。
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)變速器、主減速器后轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,將傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為集中參數(shù)系統(tǒng)后,系統(tǒng)參數(shù)需轉(zhuǎn)化為扭振特性不變的歸一化當(dāng)量系統(tǒng)參數(shù),當(dāng)量系統(tǒng)參數(shù),如表1所示。其中,慣量、剛度及阻尼參數(shù)的單位分別為 kg·m2、N·m/rad、N·s·m/rad。
表1 傳動(dòng)系扭振模型當(dāng)量參數(shù)Tab.1 Parameter of Equivalent Torsional Vibration Model of Transmission System
當(dāng)不考慮傳動(dòng)軸軸間夾角及嚙合剛度的時(shí)變特性時(shí),基于傳動(dòng)系扭振動(dòng)力學(xué)方程,帶入相關(guān)參數(shù),對(duì)式(5)進(jìn)行自由振動(dòng)計(jì)算,得到3檔傳動(dòng)系扭振固有頻率,如表2所示。
表2 傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率Tab.2 Natural Frequency of Transmission System
由表2可得傳動(dòng)系統(tǒng)存在54.7Hz的扭振模態(tài),剛好處于所研車(chē)型常用轉(zhuǎn)速的激勵(lì)頻率范圍內(nèi),進(jìn)一步可得傳動(dòng)系統(tǒng)階次跟蹤,如圖4所示。圖中的豎線為傳動(dòng)系統(tǒng)的各階扭振固有頻率,斜線代表發(fā)動(dòng)機(jī)各階次簡(jiǎn)諧扭矩激勵(lì),從圖中可以看出,在(1500~1800)r/min轉(zhuǎn)速段,傳動(dòng)系統(tǒng)的3階扭振固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)存在交點(diǎn),即傳動(dòng)系統(tǒng)有很大可能受到發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)作用而產(chǎn)生共振,從而導(dǎo)致該車(chē)型特定轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)轟鳴聲進(jìn)而引起乘客抱怨問(wèn)題。
圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)階次圖Fig.4 Order Diagram of Transmission System
由于傳動(dòng)軸軸間存在夾角及齒輪副嚙合剛度存在時(shí)變特性,為進(jìn)一步研究傳動(dòng)系扭振響應(yīng),載入發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力,通過(guò)Runge-Kutta(龍格-庫(kù)塔)數(shù)值解法,對(duì)建立的傳動(dòng)系扭振模型進(jìn)行數(shù)值求解,得到當(dāng)量系統(tǒng)各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)角、角速度及角加速度,對(duì)其進(jìn)行速比還原,可得到實(shí)際系統(tǒng)各個(gè)慣量處的扭振響應(yīng)??紤]齒輪副嚙合剛度一階諧波和所研車(chē)型軸間夾角影響,發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)下,轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)驅(qū)動(dòng)后橋輸入處扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng),如圖5所示。研究相同動(dòng)態(tài)激勵(lì)下,不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系扭振波動(dòng),考慮變速箱輸出及后橋輸入處扭振響應(yīng)較大且后期測(cè)點(diǎn)安裝較方便,以變速箱輸出及驅(qū)動(dòng)橋輸入處扭轉(zhuǎn)角位移幅值為扭振評(píng)價(jià)指標(biāo),得到系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)幅值,如圖6所示。
圖5 后橋輸入處扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)Fig.5 Torsional Angular Displacement Response at the Rear Axle Input
圖6 不同轉(zhuǎn)速扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)幅值Fig.6 Amplitude of Torsional Angular Displacement Response at Different Rotational Speeds
從圖6可以得出,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于1700r/min左右時(shí),扭轉(zhuǎn)角位移出現(xiàn)明顯峰值,傳動(dòng)系出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象,峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的二階激勵(lì)頻率約56.7Hz,此處剛好對(duì)應(yīng)主觀評(píng)價(jià)中車(chē)內(nèi)噪聲過(guò)大的轉(zhuǎn)速段。由此說(shuō)明該問(wèn)題車(chē)型車(chē)內(nèi)轟鳴聲過(guò)大引起的抱怨問(wèn)題主要由傳動(dòng)系扭振導(dǎo)致,可以采用治理扭振的方法對(duì)其進(jìn)行治理。此外,峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率值與系統(tǒng)3階固有頻率值雖十分接近,但也存在一定的差別,說(shuō)明萬(wàn)向節(jié)的不等速特性及嚙合剛度的時(shí)變特性對(duì)傳動(dòng)系的扭振頻率具有一定的影響,在實(shí)際分析時(shí),不應(yīng)忽略。
對(duì)于已經(jīng)量產(chǎn)的上市車(chē)型,綜合生產(chǎn)成本及操作的方便性的考慮,在傳動(dòng)系后橋輸入端增加扭轉(zhuǎn)減振器,將適當(dāng)?shù)母郊討T量、剛度引入傳動(dòng)系統(tǒng)中,改變其固有動(dòng)態(tài)特性,從而抑制傳動(dòng)系特定轉(zhuǎn)速段的扭振,以減小車(chē)內(nèi)轟鳴聲。根據(jù)扭振減振器質(zhì)量設(shè)計(jì)一般原則[8],設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)減振器的慣量I=0.04kg·m2,則根據(jù)系統(tǒng)固有頻率公式f=(1/2π)·及共振頻率約為57Hz,可得所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)減振器剛度K=5125.41N·m/rad。在傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模型中增加扭轉(zhuǎn)減振器分支,根據(jù)式(9),計(jì)算增加扭轉(zhuǎn)減振器后的系統(tǒng)扭振響應(yīng),得到安裝扭轉(zhuǎn)減振器后不同轉(zhuǎn)速下的變速箱輸出及后橋輸入處扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)幅值,如圖7所示。對(duì)比圖6、圖7,可以看出安裝扭轉(zhuǎn)減振器后,各轉(zhuǎn)速下扭轉(zhuǎn)角位移幅值基本都有所降低,尤其在出現(xiàn)扭振峰值的(1500~1800)r/min轉(zhuǎn)速段表現(xiàn)明顯。表明所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)減振器能有效減小傳動(dòng)系扭振響應(yīng)幅值。
圖7 安裝TVD后各轉(zhuǎn)速下扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)幅值Fig.7 Amplitude of Torsional Angular Displacement Response of Different Rotational Speeds after Installation of TVD
為驗(yàn)證理論分析的正確性及優(yōu)化方案的可行性,對(duì)該車(chē)型傳動(dòng)系進(jìn)行扭振試驗(yàn),在傳動(dòng)軸前端及后橋輸入處布置測(cè)點(diǎn),扭轉(zhuǎn)減振器安裝位及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)安裝,如圖8所示。采用緩油門(mén)加速工況,利用LMS Testlab系統(tǒng)對(duì)安裝扭轉(zhuǎn)減振器前后的傳動(dòng)系分別進(jìn)行緩油門(mén)加速扭振測(cè)試。在對(duì)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速監(jiān)控中發(fā)現(xiàn),原車(chē)后橋輸入處轉(zhuǎn)速的上升是非線性的,轉(zhuǎn)速存在較嚴(yán)重的扭振現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)扭振試驗(yàn)數(shù)據(jù)階次處理后,得到安裝扭轉(zhuǎn)減振器前后的變速箱輸出及后橋輸入處2階扭振響應(yīng),如圖9所示。
圖8 扭轉(zhuǎn)減振器安裝位及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)Fig.8 Installation Position of Torsional Damper and Measuring Point
圖9 優(yōu)化前后不同轉(zhuǎn)速扭轉(zhuǎn)角位移響應(yīng)幅值Fig.9 Amplitude of Torsional Angular Displacement Response of Different Rotational Speeds Before and After Optimization
由圖9可以看出,在轉(zhuǎn)速1687r/min附近時(shí),傳動(dòng)系扭振角位移響應(yīng)較大,出現(xiàn)明顯的扭振現(xiàn)象,與理論計(jì)算結(jié)果一致。將試驗(yàn)曲線與受迫振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算曲線對(duì)比,理論計(jì)算曲線與試驗(yàn)值在幅值上雖有一定的差別,但變化趨勢(shì)一致,尤其在重點(diǎn)關(guān)注的傳動(dòng)系共振轉(zhuǎn)速段,峰值轉(zhuǎn)速基本相同。表明所建立的綜合考慮齒輪時(shí)變嚙合剛度及萬(wàn)向節(jié)不等速特性的傳動(dòng)系扭振模型是正確的,是符合實(shí)際的,可利用該模型對(duì)傳動(dòng)系扭振問(wèn)題展開(kāi)相應(yīng)研究。此外,從圖9還可以得出,安裝扭轉(zhuǎn)減振器后,變速箱輸出及驅(qū)動(dòng)后橋輸入端扭轉(zhuǎn)角位移幅值在共振頻率處均有大幅降低,與理論分析的結(jié)果一致,證明了所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)減振器對(duì)解決扭振問(wèn)題的有效性。
對(duì)傳動(dòng)系扭振問(wèn)題的研究背景是為了解決驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲過(guò)大引起的乘客抱怨問(wèn)題,故對(duì)安裝扭轉(zhuǎn)減振器前后的車(chē)內(nèi)噪聲情況進(jìn)行測(cè)試,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行階次處理,可得優(yōu)化前后后排測(cè)得的驅(qū)動(dòng)橋階次噪聲,如圖10所示。
圖10 優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)橋噪聲Fig.10 Noise of Drive Axle Before and After Optimization
從圖10中可以看出,安裝扭轉(zhuǎn)減振器后車(chē)內(nèi)噪聲有了明顯的改善,尤其大幅減小了1700r/min附近的噪聲,與傳動(dòng)系扭振理論分析及試驗(yàn)結(jié)果一致,進(jìn)一步說(shuō)明這里所建立的數(shù)學(xué)模型及設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)減振器是正確可靠的,可有效解決該車(chē)型因傳動(dòng)系扭振導(dǎo)致的車(chē)內(nèi)噪聲過(guò)大問(wèn)題。
以某問(wèn)題車(chē)型為研究對(duì)象,通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的分析方式對(duì)其傳動(dòng)系的扭振問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究,取得的成果如下:
(1)提出并建立了綜合考慮萬(wàn)向節(jié)不等速特性及主減齒輪嚙合剛度時(shí)變特性的傳動(dòng)系扭振數(shù)學(xué)模型,通過(guò)自由振動(dòng)及受迫振動(dòng)分析,確定該車(chē)型特定轉(zhuǎn)速段轟鳴聲由傳動(dòng)系扭振造成,并通過(guò)理論分析,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)減振器。
(2)通過(guò)傳動(dòng)系扭振試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的更符合實(shí)際情況的傳動(dòng)系扭振數(shù)學(xué)模型的正確性,該模型為解決車(chē)輛扭振問(wèn)題提供了相應(yīng)的理論依據(jù),對(duì)于加快傳動(dòng)系NVH開(kāi)發(fā)進(jìn)程具有一定的參考意義。
(3)通過(guò)理論分析、傳動(dòng)系扭振及車(chē)內(nèi)噪聲試驗(yàn)說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)減振器可以有效降低后橋輸入端扭振角位移幅值,從而減小扭振激勵(lì)向后橋的傳遞,解決因傳動(dòng)系扭振而造成的車(chē)內(nèi)噪聲過(guò)大問(wèn)題,對(duì)解決車(chē)輛扭振問(wèn)題具有較大的借鑒作用。