基于傳動系扭振分析的整車噪聲研究與性能優化

唐善政，宋恩棟

（上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心,上海 200438）

傳動系統作為整車動力傳輸系統，是整車中最為關鍵的系統之一。傳動系動態特性的匹配會對整車的振動噪聲特性產生較大影響。通常把由傳動系頻率特性匹配導致的問題，按照其固有頻率的高低加以區分，分為高頻段、中頻段、低頻段[1]。每個頻率段問題在實車上的表征可以參考表1。其中大部分的問題出現抱怨的工況和傳動系扭振峰值所在的轉速是直接相關的。在傳動系匹配過程中，最為關鍵的動態特性就是扭轉振動的特性(簡稱扭振)。由于

不同的傳動系扭振固有特性的不同，如果匹配不佳，會表現出不一樣的特征。在整車開發過程中，如果可以對傳動系的扭振特性加以良好的控制，將為實際車輛的開發過程中對于相關問題的確定以及措施的驗證節省時間，從而縮短開發周期。

本文闡述的是傳動系匹配不佳，導致在扭振峰值轉速時的車內發生擾人的轟鳴聲和變速箱齒輪敲擊噪聲的問題解決過程。該問題屬于典型的傳動系扭振過大導致抱怨的案例。軸系扭振會引起平面振動的機理模型如圖1所示。

圖1 單位曲柄受扭后的變形

這是用粗鐵絲完成的一段單位曲柄教學模型，當在它兩段加扭矩(M)后，原來在同一垂直面內的abcedef 6個點位置隨曲柄的變形將轉移到ab′c′d′e′f。可以看出，兩主軸頸ab及ef在主軸承內出現了擺動，其程度顯然同扭振振幅成正比。可以推斷，凡是質量分布對軸線不對稱的系統受扭時，其軸中心線都不可能保持不變。由于這種變形受到軸承的約束，于是扭振傳給了機身，從而引起了平面振動[2]。

表1 傳動系匹配導致的抱怨問題列表/Hz

1 傳動系扭振分析的基本理論

單質量系統作為多質量系統組成的基本單元，其線性數學模型的應用仍沿用至今，包括當代的有限元計算的根本，也是來自于此數學模型。單質量系統[3]的扭轉自由自由振動模型，是由一個慣量為I圓盤和一個剛度為k的扭轉彈簧組成的系統。彈簧一端連接圓盤另一端受到約束。其物理簡化模型構成的動力學基本方程如下

式中：I為圓盤的的轉動慣量；k為扭簧的扭轉剛度；φ為圓盤的角位移。

該方程是一元二次線性微分方程，不難證明，滿足此方程的解的形式為

式中：

從解的形式可以看出，若給定初始條件，該系統的運行特征，幅值A和頻率ω將完全由圓盤的轉動慣量和扭簧的剛度所確定，系統任一時刻的角位移可由式（3）顯示表示。

多質量系統[2]動力學方程的求解，更具有現實意義，目前對于某些線性系統，采用多質量系統動力學方程求解來研究氣動力學特性，仍然是最為快捷有效的手段。對于多質量扭轉線性定常系統，其簡化模型的動力學方程為

式中：I為轉動慣量矩陣；Φ為角位移列向量；K為剛度矩陣。T為干擾扭矩矩陣

上述方程組的解為

式中：A為強迫振動引起的角位移；ω’為干擾扭矩頻率；A*為自由振動角位移，在有阻尼的情況下它會逐漸趨近于0；ω為系統固有頻率；ε為自由振動角位移初相角。

以上經典理論模型的建立與求解，為現代傳動系的系統仿真奠定了理論基礎。

2 傳動系統分析模型建立

本文是基于某前置發動機的四驅車輛進行系統建模和計算的，主要3檔全油門加速工況進行具體的仿真計算。

由于整車傳動系所涉及的零部件較多，在模型建立的時候，需要對具體的零部件進行適當的選擇和簡化。這里選擇的主要零部件包含：發動機、變速箱、分動器、前橋、后橋、輪胎等內容。

采用的系統仿真軟件是西門子公司LMS Imagine.Lab Amesim軟件。該軟件是目前市場上使用較多的參數化建模軟件，對于收集好系統參數的模型進行仿真運算有著非常高的效率。同時由于該軟件采用參數化建模的形式進行建模，在對模型優化時，可直接調整系統參數，迅速查看系統動態特性的變化。

根據每個零部件內部傳動系相關零部件的當量慣量和剛度參數，在Amesim軟件中建立傳動系的參數化模型[5]。對于實際車輛的運行，選擇兩驅模式下，變速箱掛在3檔，發動機節氣門全開的工況（簡稱3檔WOT工況）進行軟件仿真分析。考慮該系統實際運行的工況下強迫振動的情況，在建立仿真模型的時候，將發動機在3檔WOT工況下的缸壓（通過發動機臺架試驗測得缸壓的數據）作為系統的輸入。同時由于整車行駛過程中還涉及到來自路面的滾阻以及逐漸增加的風阻，這些邊界條件都選擇Amesim軟件自身推薦的默認子模型及對應參數進行仿真計算。如圖2所示，建立Amesim仿真計算模型。

圖2 某四驅車輛傳動系Amesim仿真模型

將系統參數輸入如圖2仿真模型，得到發動機飛輪輸出端和變速箱輸入端，在3檔WOT下轉速隨時間變化的曲線，如圖3所示。

圖3 加速時飛輪輸出端和變速箱輸入端轉速仿真結果

從圖3可以看到，在轉速隨時間上升的過程中，大約在1400 r/min附近存在劇烈的轉速波動現象，表征在該轉速下，系統存在扭振峰值。

進一步對上述存在扭振峰值的這段轉速區域進行計算，同時進行FFT變換，如圖4所示。

圖4 FFT變換后的系統扭振幅頻圖

更為精確的系統扭振頻率，為46 Hz。查表1，預測該系統在實際運行過程中可能由于在此轉速扭振過大，產生齒輪敲擊噪聲抱怨或者車內轟鳴聲抱怨。因此在仿真和實車開發階段要對此問題進行設計預防。

3 實車主觀評估與測試結果

通過對樣車的主觀評估發現，在系統仿真所計算的工況，確實出現了相對應的駕乘感受抱怨。在3檔WOT工況下，轉速大約在1400 r/min的時候，可以明顯感覺到有較大的轟鳴噪聲，同時在1200 r/min到1400 r/min內可以在車內清晰的聽到來自變速箱煩擾的齒輪敲擊聲，會帶來暫乘者極大的抱怨。不僅在計算的工況內存在相對應的抱怨，還在其他如2檔、4檔的不同檔位，在緩慢加速或者勻速的過程中。只要發動機轉速接近1500 r/min附近，都會產生不同程度同類抱怨。

針對以上現象，在對該問題整車的傳動系進行了扭振特性測試。測試的環境選擇整車底盤測功機半消聲室進行扭振與車內噪聲的同步測試。測試系統選用西門子的SCADAS III硬件系統，軟件采用與之配套的Test LAB測試平臺。

通過對加速過程進行測試，得到車內主駕耳旁加速噪聲overall曲線如圖5所示。

圖5 加速車內耳旁噪聲overall曲線

其中大約1400 r/min轉速附近存在較大的聲壓級峰值，正好與車內轟鳴聲導致抱怨的轉速對應。進一步對該加速噪聲進行FFT變換，可以得到隨轉速變化的車內主駕耳旁噪聲的瀑布圖，如圖6所示。

圖5不僅反映了在1400 r/min聲壓級的陡增，同時也體現出頻率成分的復雜，這便是人耳所識別到的齒輪敲擊聲的感受。因此從客觀測試數據來說，該轉速附近確實即存在轟鳴聲抱怨又存在齒輪敲擊聲抱怨。

在測量車內噪聲的同時，在變速箱輸入端進行了扭振的測試，結果如圖7所示。

在1417 r/min，2階扭轉振動存在峰值，該車的傳動系統在大約47 Hz存在扭振峰值。測點位置的扭振幅值達到1.3°，對比扭轉振動的經驗，該扭轉振動的幅值足以引起抱怨，甚至使傳動系運行失效。

圖6 加速車內耳旁噪聲頻率瀑布圖

圖7 變速箱輸入端2階扭振曲線

4 優化方案的仿真計算與試驗結果

通過分析扭振峰值工況下能量的貢獻，確認即將優化的實際參數。針對各個零部件的慣量參數進行影響的貢獻量分析，最終確認離合器剛度，后傳動軸后半段轉動慣量的貢獻量最大。

對于離合器剛度，采用不同的剛度進行系統仿真，如圖8所示。其中剛度越低，扭振幅值越小。

圖8 離合器剛度改變的影響

分別在在變速箱輸入、輸出端以及后傳動軸后段增加46 Hz動力吸振器，進行系統仿真計算，結果如圖9所示。增加動力吸振器均有較顯著的優化效果。總體來說，增加動力吸振器的位置對扭振減振的效果影響不顯著。

基于仿真結果的導向，開展了樣件制作與試驗驗證。將離合器剛度從原來的30 Nm/(°)調整到可實現的最低剛度23 Nm/(°)（考慮到工程可行性，仿真中所采用的20 Nm/(°)的零件難以工程化，實現的成本較高），并基于共振頻率46 Hz，選擇了市場上常見的46 Hz傳動軸動力吸振器（市場上常用的傳動軸動力吸振器的頻率大約在30 Hz到200 Hz），安裝在傳動軸和后橋之間。使原來在1400 r/min附近的轟鳴聲抱怨得到了極大的改善。

在帶底盤測功機的整車半消聲室開展整車車內噪聲和傳動系扭振的效果驗證測試。結果如圖10所示。

圖9 動力吸振器的扭轉減振效果

圖10 加速車內耳旁噪聲overall對比曲線

聲壓級最大峰值改善大約4 dB(A)，主觀上幾乎感受不到峰值的存在。如圖11所示。

圖11 優化后加速車內耳旁噪聲頻率瀑布圖

車輛狀態的更新不僅降低了耳旁噪聲聲壓級，同時也使煩擾的齒輪敲擊聲的能量得到降低，使整個加速的過程車內噪聲顯得過渡更為線性與平順。主觀已經無法感受到齒輪敲擊聲。如圖12所示。

圖12 優化前后變速箱輸入端2階扭振曲線

傳動系的扭振測試可以明確顯示出，傳動系原始狀態下在1400 r/min附近的扭振峰值，由于離合器剛度的降低以及動力吸振器的雙重作用，不僅調整了頻率特性，同時峰值幅值也得到了極大的抑制。

這正是對車內噪聲聲壓級降低以及聲品質提升最直接的解釋。

5 結語

本文從整車傳動系整體建模的角度出發，對某四驅車輛傳動系在加速工況下的扭轉動態特性進行仿真，并結合工程經驗，對傳動系可能導致整車抱怨的風險進行預測，并給出了相應的優化措施。在樣車階段，整車傳動系扭振較大所導致的轟鳴聲抱怨和齒輪敲擊聲抱怨，均證明仿真階段的推測是準確的。最終結合仿真分析的建議，以及實際工程零件的可行性所選擇的方案，切實有效地消除了最初樣車存在的乘客抱怨問題。從整個案例中，得出如下結論。

(1)在開發前期對傳動系準確的建模仿真，可以有效地預測傳動系動態特性所導致的問題。具體抱怨可以參考表1。

(2)傳動系動態特性的優化可以在仿真階段就直接開展，可以減少后續各種方案嘗試的次數，縮短整車傳動系的開發周期。

(3)對于常見的因扭振峰值導致的車內轟鳴和齒輪敲擊聲抱怨，可以通過優化離合器剛度以及增加合適的動力吸振器予以改善甚至消除

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