載貨汽車傳動系統扭轉共振問題研究

張國棟 王明正

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

載貨汽車傳動系統扭轉共振問題研究

張國棟 王明正

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

針對載貨汽車傳動系統異響現象進行分析，確定該現象為傳動系統扭轉共振造成的。采用常用措施進行故障排除未徹底解決問題。從理論計算出發，利用AMESim軟件模擬分析引起傳動系統扭轉共振的因素，確定改進方向；優化離合器扭轉減振器剛度特性。通過實車驗證證明該優化措施有效，異響現象消失，傳動系統扭轉共振問題消除。

載貨汽車會經常出現傳動系統異響的問題，尤其是長軸距時更為顯著。某載貨汽車在40～60 km/h車速范圍內用5擋加速時傳動軸明顯存在異響，表現為傳動軸軸管傳出響亮的金屬敲擊聲音，該問題較為普遍。根據以往試驗結論，考慮為傳動系統出現扭轉共振問題。

1 現場分析

首先從產品一致性問題考慮。現場分析異響聲音主要是從變速器后第1節傳動軸部位發出的金屬敲擊聲；發生的工況是4擋加速時發動機轉速為1 600 r/min，5擋加速時發動機轉速為1 200～1 500 r/min，6擋加速時發動機轉速為1 000～1 200 r/min。

針對此故障現象，維修人員采取如下故障排除處理措施，但均未徹底解決故障。

a.檢查傳動軸動平衡并在花鍵處涂潤滑脂；

b.檢查及重新調整主、從動齒輪間隙；

c.在傳動軸吊架固定處墊減振膠以降低傳動軸傾斜度；

d.檢查花鍵與花鍵槽配合間隙；

e.更換加強型傳動軸；

f.同類型車輛進行傳動軸相互對調；

g.將傳動軸進行包裹；

h.在傳動軸軸管內加入填充材料。

排除產品一致性問題后，針對該問題進行傳動系統專項測試試驗。對轉速波動信號、扭矩波動信號、噪聲信號和加速度信號進行轉速跟蹤譜分析，在轉速波動信號和扭矩波動信號的轉速跟蹤譜中提取階次曲線，對噪聲信號和加速度信號做選定轉速范圍內的總值曲線分析，結果如圖1所示?？芍铀龠^程中變速器輸出軸的轉速波動相對于發動機轉速波動被明顯放大，尤其是在1 200～1 600 r/min轉速范圍內其轉速波動特別大。所以，判斷該車傳動系統在1 200～1 600 r/min轉速范圍內出現扭轉共振問題，該轉速范圍與傳動系統出現異響時的轉速范圍一致。通過試驗確認傳動系統扭轉共振是產生異響的主要原因，發動機扭矩波動是異響的激勵條件。解決異響問題應從合理匹配傳動系統扭轉振動特性、降低發動機扭矩波動等方面考慮。

2 理論分析

2.1 計算參數

以該載貨汽車傳動系統為研究對象，利用AMES?im軟件建立系統模型（圖2）進行模擬分析。傳動系統模型為剛柔混合模型，將傳動系統中的傳動部件簡化為多個剛體，傳動軸和半軸為柔性體，整車平動質量等效為當量轉動慣量。模型中各部件的參數、硬點位置、三維模型和性能曲線（圖3）按實際結構確定,其中活塞平動質量為1.6048264 kg，整車整備質量為6 370 kg，模型坐標系與整車坐標系一致，即以整車坐標系的原點為原點，沿水平方向向發動機后方為X軸正向，水平向右為Y軸正向，垂直向上為Z軸正向。

2.2 計算工況

合理匹配傳動系統可以有效避免共振或減輕共振，而通過對傳動系統模態頻率進行優化，可以找出減輕扭轉共振的有效措施。

根據問題現象，以5擋工況為基準進行優化計算，所有變量初始取值為1，相對取值范圍為（-10%, 10%）。以傳動系統第2階固有頻率為優化目標進行靈敏度分析，結果見表1（按頻率影響效果由強到弱排序）。

表1 靈敏度分析結果

由表1可知，為了降低傳動系統扭轉振動固有頻率，采用降低離合器扭轉減振器剛度措施的效果最明顯，其次依次為采用增加變速器輸出軸總成慣量、增加從動盤慣量、增加差速器總成轉動慣量、降低左右半軸剛度等措施。

為了研究除降低離合器扭轉減振器剛度以外的其它減輕扭轉共振措施，在離合器扭轉減振器剛度不變的情況下，將其它優化變量依照靈敏度分析結果降低或增加10%，獲得系統的固有頻率為42.9 Hz（原傳動系統固有頻率為45 Hz），而單獨降低離合器扭轉減振器剛度10%獲得系統的固有頻率為43.0 Hz。可知，對傳動系統的關鍵部件進行優化能夠獲得和采用降低離合器扭轉減振器剛度的措施相接近的效果，但對傳動系統關鍵部件的改動必然會造成傳動系統可靠性及燃油經濟性等方面的不利影響，而傳動系統關鍵部件的優化涉及專業較廣且邊界條件不易確定，在此不再進行深入研究。因此，降低傳動系統扭轉振動固有頻率最為簡單直接的方案是降低離合器扭轉減振器剛度。

3 改進方案

3.1 離合器特性定義

由于載貨汽車傳動系統是由多個集中質量體和彈性軸組成的扭轉振動系統，本身有一系列的固有頻率，因此在行駛過程中產生的偶然性激勵頻率與傳動系統扭轉振動頻率吻合時將產生系統共振。離合器扭轉減振器（圖4）的作用就是將發動機與傳動系統的共振頻率轉移到常用轉速外，消除載貨汽車傳動系統的主要低頻扭轉振動并降低變速器和主減速器的齒輪噪聲，消減怠速時的扭振和噪聲，緩和非穩定工況下的沖擊載荷。

原車離合器扭轉減振器為單級線性減振器，無法對應發動機的多種運行工況，因此導致傳動系統發生共振。通過對標其它離合器產品，對原有離合器扭轉減振器進行優化，采用多級剛度對應整車多種工況。離合器由1級減振優化為3級減振，第1級為怠速級，角剛度最小，傳動系統的固有頻率（低于發動機怠速轉速的激振頻率）最低，其對應發動機怠速工況，可以消除空擋時變速器齒輪沖擊噪聲；第2級為主減振級，角剛度中等，傳動系統固有頻率（低于發動機常用工作轉速的激振頻率）適中，對應發動機常用工況；第3級為大扭矩減振級，角剛度最大，用于載荷急劇變化階段（如猛抬離合器踏板使汽車起步、應急制動等），以緩和傳動系統的極大瞬時動載荷。通過對現有傳動系統進行優化分析，從NVH角度對離合器扭轉減振器剛度提出性能要求，見表32。

表2 離合器扭轉減振器剛度要求

3.2 離合器改進方案

綜合考慮結構、性能、成本等因素，且原離合器能夠滿足傳動能力要求，所以僅針對導致共振的扭轉減振器結構進行優化，采用多級、廣角減振器。優化后離合器性能參數見表3。

表3 優化后離合器性能參數

3.3 扭轉減振特性分析

對優化后離合器進行扭轉減振特性分析。

a.怠速級評價

對怠速工況的傳動系統進行模態分析,獲得系統模態頻率，如表4所列。可見，怠速工況模態頻率對應的發動機轉速遠低于怠速工況轉速，故扭轉減振器怠速級匹配合理。

表4 怠速級模態分析

b.主減振級評價

對變速器不同擋位進行扭轉模態分析，輸入離合器第2級剛度，獲得各擋位傳動系統模態頻率分布，如表5所列。

表5 主減振級模態頻率 Hz

5擋振型如圖5所示,其對應發動機轉速為798 r/min。

系統第2階模態為扭轉模態，各個擋位的共振轉速范圍在750～1 000 r/min范圍內，可以接受。與原扭轉減振器方案相比（剛度320N·m/（°）），可知新方案離合器扭轉剛度設計更加合理。

c.大扭矩減振級評價

對變速器不同擋位進行扭轉模態分析，輸入離合器第3級剛度，獲得各擋位傳動系統模態頻率分布如表6所列。

表6 大扭矩減振級模態頻率 Hz

結合發動機外特性曲線可知，在正常加速和勻速行駛工況下，發動機輸出扭矩（最大扭矩531 N·m，轉速1 500 r/min、）一般不會超過579 N·m（離合器2級剛度極限扭矩），故第3級剛度一般為沖擊工況的保護作用，此處不做詳細分析。

3.4 方案結論

通過對離合器改進后的傳動系統進行扭轉振動分析可知，搭載新方案離合器能夠有效降低傳動系統共振頻率（怠速級和主減振級），怠速模態8.8 Hz、主減振模態低于33 Hz（轉速低于990 r/min），新方案離合器扭轉減振性能設計合理。

4 試驗驗證

通過將存在傳動系統異響的樣車換裝改進后離合器，在同一試驗工況，對比測量離合器改進前、后的傳動軸附近噪聲，結果如圖6和圖7所示?？芍瑢τ谡?擋加速工況，在傳動軸發生異響的轉速范圍內，離合器改進后較改進前傳動軸近場噪聲明顯減小，整車無傳動軸異響現象。

1 余志生.汽車理論.北京：機械工業出版社,2006.

2 付永領,祁曉野.AMESim系統建模和仿真.北京：航空航天大學出版社,2006.

3 王望予.汽車設計.北京：機械工業出版社,2000.

4 徐石安,江發潮.汽車離合器.北京：清華大學出版社,2005.

5 何耀華.汽車試驗學.北京：人民交通出版社,2005.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Research on Torsion Resonance of Truck Transmission System

Zhang Guodong,Wang Mingzheng
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

Abnormal noise from truck transmission system is analyzed,and it is found that this abnormal noise is caused by torsion resonance of the transmission system,which can’t be eliminated by common troubleshooting measures.We address this issue from theoretical calculation,and apply AMESim software to simulate and analyze the factors which cause torsion resonance,then optimize stiffness characteristic of clutch torsional damper.This optimization is proved effective by vehicle test,abnormal noise disappears,and torsion resonance of transmission system is eliminated.

Truck,Transmission system,Torsional resonance

載貨汽車 傳動系統 扭轉共振

U462.2

A

1000-3703（2015）07-0001-03