某客車車內轟鳴與傳動系扭振試驗研究

劉國政，史文庫，商國旭，陳志勇

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

如今消費者對汽車舒適性要求越來越高，汽車的振動噪聲問題也成為各大車企重點關注的方向。客車大多數采用前置后驅的動力系統，其傳動系一般由發動機、離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等部件組成，這些部件的轉動慣量和剛度組成了一個扭振系統，其固有扭轉模態有時會與發動機激勵頻率重合，從而引起傳動系共振，導致車內轟鳴，頻率一般在40～120Hz之間，嚴重影響乘坐舒適性[1-4]。

對于傳動系扭振，國內外許多學者都做過研究，文獻[5]和文獻[6]中對前置后驅車的傳動系模態進行仿真計算和試驗研究，分析了離合器、傳動軸和橋軸的扭轉剛度對傳動系模態的影響，但未研究傳動系扭振對車內振動噪聲的影響。文獻[7]中在傳動系扭振時考慮齒輪的影響，建立了融合變速器齒輪傳動和多體剛柔耦合模型。文獻[8]中研究傳動系扭振引起的車內轟鳴聲，認為車內轟鳴聲的主要激振力來源于主減速器輸入端的扭轉交變力矩，并嘗試通過調整傳動系參數、加裝扭轉減振器和換裝雙質量飛輪的方式來解決轟鳴聲。文獻[9]和文獻[10]中分別利用慣性盤和調整半軸的扭轉剛度來降低傳動系扭振引起的車內轟鳴聲。文獻[11]中通過加裝扭轉減振器和雙質量飛輪來控制車內轟鳴聲，研究表明雙質量飛輪的效果更好。文獻[12]中利用遺傳算法對傳動系進行參數優化，減少傳動系的高頻扭振。文獻[13]中建立了傳動系剛柔耦合模型，考慮傳動軸夾角對扭振的影響，分析傳動系急加速時的動態特性。文獻[14]中建立了傳動系非線性動力學模型，分析離合器顫振問題。

某國產客車在高擋低速加速行駛時，車內會出現明顯的轟鳴聲，本文中通過分析整車試驗數據，研究車內轟鳴聲與傳動系扭振的關系，為轟鳴聲的解決提供參考和依據。

1 樣車轟鳴問題

1.1 樣車主要技術參數

本文中研究的中型客車采用發動機前置后輪驅動，動力總成為四缸直列柴油發動機與5擋手動變速器，傳動軸為3段式。樣車的詳細參數如表1所示。

表1 樣車主要技術參數

1.2 車內轟鳴

樣車在高擋低速行駛時車內有明顯的轟鳴聲，且發生轟鳴聲時，車內地板也會明顯抖動。以5擋發動機轉速1 300r·min-1時最為嚴重，當車速升高或降低后，車內轟鳴聲和異常振動會立即消失。初步推測為傳動系扭振引起。

2 整車試驗

2.1 試驗目的

對整車進行行駛工況下的振動噪聲數據采集，并測試整車的傳動系扭振，以便找到車內轟鳴聲的原因，為車內轟鳴聲的改進提供參考和依據。

2.2 傳感器布置

整車試驗在中汽中心鹽城汽車試驗場進行，試驗設備主要有比利時LMSSCADAS聲振信號采集系統、霍爾轉速傳感器、GRAS聲學傳聲器和美國PCB振動加速度傳感器等。各傳感器的數量和布置位置如表2所示。

表2 傳感器安裝位置

圖1為車內傳聲器的布置圖，參考 GB/T 18697—2002汽車車內噪聲測量方法[15]，在駕駛員右耳和后排乘員位置各布置一個聲學傳聲器；圖2為布置在駕駛員座椅地板和變速器位置的振動加速度傳感器；圖3為布置在發動機飛輪和變速器輸入軸位置的霍爾轉速傳感器。

圖1 車內傳聲器布置圖

圖2 振動加速度傳感器布置圖

圖3 霍爾轉速傳感器布置圖

2.3 扭振測試原理

2.3.1 扭振傳感器

汽車上常用的扭振測試傳感器有磁電式、光電式和編碼器。磁電式傳感器最為常用，像汽車自帶的發動機飛輪轉速傳感器和車輪ABS轉速傳感器大都是磁電式的，具有成本低和信號穩定等優點；但必須安裝相應的信號齒圈，每圈的脈沖數量有限，且傳感器距離齒圈的距離要足夠近。光電式傳感器精度高，每圈的脈沖數多，但試驗時容易受到污泥、灰塵等雜質的影響，在整車試驗時受到的外界干擾較大。編碼器測扭振的精度最高，每圈的脈沖可達幾萬甚至幾十萬個，但成本較高，且安裝較復雜，對數據采集系統的帶寬有較高的要求，常用在齒輪系統的傳動誤差等高精度測試方面，在整車試驗上應用較少。

本文中采用霍爾式磁電傳感器測量傳動系統的扭振信號，如圖4所示。各安裝位置如下：飛輪位置直接測量飛輪起動齒圈的轉速；變速器位置測量輸入軸常嚙合齒輪的轉速；后橋位置加工一個60齒的齒圈，安裝在后橋輸入軸法蘭盤上，測量齒圈的轉速。

2.3.2 測試原理

圖4 后橋位置轉速傳感器的布置

霍爾轉速傳感器是根據磁場的變化來采集齒圈的轉速信號，齒圈每轉過1個齒，傳感器頂部的磁場會發生變化，傳感器會產生1個電壓脈沖，數據采集系統會根據電壓脈沖的時間間隔計算出齒圈的轉速。例如，齒圈有N個齒，則每個脈沖間隔所對應的角位移Δθ＝2π/N，兩脈沖時間間隔為Δt，則齒圈的角速度ω＝2π/(NΔt)。

2.4 試驗工況

采集樣車在加速和滑行時的車內振動噪聲信號，以及傳動系扭振信號。分別為3擋、4擋和5擋的全油門加速、緩加速和帶擋滑行工況。

3 試驗數據分析

3.1 車內噪聲

圖5為5擋加速時車內的噪聲數據，以發動機的轉速為參考轉速。由圖5(a)可見，車內噪聲主要是2階、4階和6階噪聲。

由圖5(b)可見，車內總噪聲在1 280r/min附近存在峰值，和車內乘員感受到的車內轟鳴聲一致。2階噪聲在1 280r/min處也存在明顯的峰值，且2階噪聲的幅值十分接近總噪聲，說明車內1 280r/min時的轟鳴聲是由發動機2階激勵引起，對應的頻率為43Hz。

3.2 車內振動

與車內的振動數據相比，試驗測得的車內噪聲數據容易受到外界干擾，有時不能很好地反映真實問題，因此也需要對比分析車內的振動數據。

圖6是車內的駕駛員座椅地板位置的振動數據。從圖6(a)可以看出，發動機的2階激勵最明顯，在43Hz附近存在共振帶。圖6(b)是振動的階次切片圖，車內地板在1 280r/min附近存在十分明顯的共振峰值，和車內轟鳴聲的一致，是由發動機的2階激勵引起。但是還不能確定車內轟鳴聲是由傳動系共振引起，還是由車內地板、車身等其它部件共振引起。

圖5 車內噪聲數據(駕駛員右耳)

圖6 車內振動數據(駕駛員位置地板)

3.3 傳動系扭振

根據文獻[6]，對于發動機前置且后輪驅動的汽車，其傳動系一共有3階扭振模態對車內NVH有影響：第1階模態為整車前后振動模態，頻率隨轉速增加而升高，一般在10Hz以內；第2階模態以離合器為分界點，表現為變速器與傳動軸的同向扭轉、發動機的反向扭轉，頻率隨轉速的增加而降低，一般為100Hz以內；第3階模態為后橋扭轉模態，頻率較高，且隨擋位的增加而升高。

圖7為傳動系扭振的階次追蹤圖。由圖可見：發動機飛輪的轉速波動一直比較大，主要為2階和4階；經過離合器的衰減，發動機的轉速波動到達變速器后明顯減小；但變速器輸入和輸出軸在43Hz附近存在共振帶，和車內異常噪聲的頻率一致。

圖7 傳動系扭振數據

將車內噪聲、振動和傳動系扭振數據的2階切片圖放在一起對比分析，如圖8所示。由圖可見：整個傳動系中發動機的轉速波動最大，且變化較平穩，沒有異常的峰值；變速器輸入軸和傳動軸的轉速波動均小于發動機，但在1 280r/min附近存在異常的峰值，與車內振動和噪聲的峰值所對應的發動機轉速一致，說明車內轟鳴聲是由傳動系扭振引起。

圖8 2階切片圖

3擋和4擋也存在轟鳴聲，但不明顯。圖9為不同擋位時傳動軸轉速波動的2階切片，表3為各擋位傳動系共振頻率和對應轉速。可以看出，隨擋位的增加，傳動系的共振頻率逐漸降低，轉速波動的幅值逐漸增大，和車內轟鳴聲隨擋位的變化規律一致。

圖9 不同擋位的傳動系扭振頻率

表3 傳動系共振頻率

圖10為轉速波動的時域信號。由圖可見，在傳動系發生扭振時，發動機飛輪與變速器輸入軸之間的相對轉角變化較大，主要是離合器的扭轉減振器引起的，是傳動系的2階扭轉模態，從而導致了車內轟鳴。

圖10 傳動系相對轉角

3.4 傳遞路徑分析

整車傳動系由動力總成、傳動軸和后橋等零部件構成，如圖11所示，分別通過發動機懸置、傳動軸懸置、后懸架等部件與車架相連，傳動系的振動也會通過這些連接點傳到車身，從而引起車內轟鳴聲。樣車的發動機采用三點懸置，分別為左懸置、右懸置和后懸置，后懸架為鋼板彈簧結構，因此傳動系扭振傳到車內一共有6條路徑，分別為發動機的3個懸置、傳動軸懸置和后懸架左右板簧。

圖11 傳動系扭振到車內噪聲的傳遞路徑

圖12為5擋加速時發動機后懸置被動端的振動階次追蹤圖。由圖可見，發動機的2階振動較明顯，在43Hz附近有共振，與傳動系的扭振頻率一致。

為了對比分析各個連接位置傳遞振動的大小，對發動機左懸置、右懸置、后懸置、傳動軸懸置和后懸架板簧吊耳位置的振動進行2階切片分析，如圖13所示。可以看出，所有位置在1 280r/min時均存在明顯的峰值，其中發動機后懸置和傳動軸懸置位置的振動最大，其次是后懸架板簧吊耳，振動最小的位置是發動機左懸置和右懸置。這和傳動系扭振特性一致：傳動系前半部分的發動機轉速波動變化小，但傳動系后半部分的變速器輸入軸和后橋輸入軸轉速波動在1 280r/min有異常峰值。發動機左懸置和右懸置都在傳動系前端，所以在1 280r/min處的振動較小；而其它3個位置均在傳動系的后端，因此在1 280r/min時的振動較大。可以通過調節發動機后懸置和傳動軸懸置的剛度來降低振動傳遞率，從傳遞路徑上降低車內的轟鳴聲。

圖12 發動機后懸置被動端振動階次追蹤圖(5擋)

圖13 傳動系各連接位置的振動2階切片

4 結論

對樣車進行了車內轟鳴聲和傳動系扭振試驗，確定車內轟鳴聲是傳動系共振引起，主要結論如下。

(1)車內轟鳴聲頻率為58，52和43Hz，隨擋位的增加，頻率降低；且發生轟鳴聲時車內也會出現較大幅值的振動，是由傳動系扭振引起。

(2)在不同車速下，發動機的轉速波動變化不大，離合器能很好地衰減發動機的轉速波動，但在發生扭振時，發動機轉速波動被放大。

(3)根據整車試驗數據，只能測出傳動系的2階模態，離合器的扭轉剛度對其有較大影響，可以通過調整離合器剛度，改變傳動系的扭振頻率，從而減弱或消除車內轟鳴聲。

(4)試驗數據表明，傳動系的共振會通過發動機3個懸置、傳動軸懸置和后懸架傳到車內，引起車內轟鳴聲。其中，發動機后懸置和傳動軸懸置位置傳遞的振動最大。

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