基于發(fā)動機變速器合裝工藝的一階振動控制研究

李允 湯樂超 陳兵 楊鵬

摘? 要：旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子由于受材料質(zhì)量、加工技術(shù)、裝配工藝等各方面的影響，轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量分布相對于旋轉(zhuǎn)中心線會存在偏差。為解決怠速車內(nèi)一階振動大的問題，研究了旋轉(zhuǎn)部件不平衡振動產(chǎn)生機理。通過采用特制動力總成合裝滑軌，以及螺母打緊工藝優(yōu)化，提升了軸系同軸度，大幅改善車內(nèi)抖動問題。

關(guān)鍵詞：動力總成;一階振動;裝配工藝;飛輪;柔性盤

中圖分類號：U464? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）02-0047-05

Abstract： Due to the influence of material quality， processing technology and assembly process on the rotor of rotating machinery， the mass distribution on the rotor will be deviated from the center line of rotation. In order to solve the problem of first-order vibration in idle vehicle， study the mechanism of vibration casing by unbalance of rotating parts. Making special sliding track for powertrain assembly and optimizing nut tightening process. The coaxiality of shaft system is improved. The vehicle interior vibration problem improved greatly.

Key Words： Powertrain; 1st Order Vibration; Aassembly Process;? Flywheel; Flexural Disk

汽車怠速座椅導(dǎo)軌振動大小直接影響乘員舒適性，汽車研發(fā)中，將怠速時座椅導(dǎo)軌振動作為車輛NVH重要性能指標。動力總成是怠速車內(nèi)振動主要激勵源，動力總成旋轉(zhuǎn)部件不平衡量控制不合理、發(fā)動機與變速器裝配偏差過大均會導(dǎo)致車內(nèi)一階振動大、乘坐舒適性差。

在部件不平衡量和裝配對振動的影響方面，國內(nèi)有大量的分析案例及提高裝配精度的實踐。付江華[1]通過控制雙質(zhì)量飛輪動平衡量，解決了動力總成一階振動大的問題，實現(xiàn)了怠速抽動控制;蔣能強[2]通過控制電機與風機軸承箱聯(lián)軸器防振圈表面磨損，保證二者的對中精度，解決了大功率鼓風機振動超標報警的問題;唐海軍[3]根據(jù)多年工作經(jīng)驗，分別闡述了發(fā)動機各部件裝配對振動的影響，分析了徑向偏擺、端面偏擺、裝配角度、質(zhì)點同心度影響因素;潘漢軍[4]建立了描述對中誤差的參數(shù)組，導(dǎo)出百分表讀數(shù)的表達式，并提出通過采樣計算確定聯(lián)軸器對中偏差的方法。雖然國內(nèi)學(xué)者在部件不平衡量、部件裝配影響因素做了較多研究，但是針對動力總成合裝工藝對一階振動影響的定量研究較少。

本文針對整車試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的怠速座椅導(dǎo)軌一階振動大的問題，對其機理進行分析，通過優(yōu)化動力總成合裝工藝，解決了怠速座椅導(dǎo)軌振動超標問題。

1? ? 不平衡振動機理分析

1.1? ?概述

旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子由于受材料質(zhì)量、加工技術(shù)、裝配精度等各方面的影響，轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量分布相對于旋轉(zhuǎn)中心線不可能絕對軸對稱，因此任何一個轉(zhuǎn)子不能做到“絕對平衡”，轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心線之間總是有一定的偏心距存在，這就使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成周期性的離心力干擾，使整機發(fā)生振動。根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡類型，可以分為兩種情況[5]：質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生離心力，質(zhì)心、幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心都不重合產(chǎn)生離心力。

1.2? ?質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心

假設(shè)軸的幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，而僅僅是質(zhì)心偏離，如圖1所示。

當軸繞幾何中心旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的離心力為：

式中，m 為軸的質(zhì)量，r 為質(zhì)心線偏離幾何中心的距離，w 為旋轉(zhuǎn)角速度。從式（1）可知，離心力與質(zhì)量、質(zhì)心偏離幾何中心線的距離成正比，與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在影響離心力的三個因素中，質(zhì)量 m 和離心距離 r 由幾何參數(shù)和制造誤差等因素決定，這兩者都是靜態(tài)因素，通常將質(zhì)量 m 和離心距離 r 的乘積 mr 表示靜態(tài)不平衡的大小，單位是 g·cm。轉(zhuǎn)速是影響離心力的動態(tài)因素，轉(zhuǎn)速越高，其離心力按平方指數(shù)增加。

1.3? ?質(zhì)心、幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心都不重合

圖2表示旋轉(zhuǎn)機械質(zhì)心、幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心都不重合的截面圖，幾何中心偏離旋轉(zhuǎn)中心的距離是 e ，其矢量方向相對 x 軸的角度是 θ 。質(zhì)心偏離幾何中心的距離是 r ，其矢量方向相對 x 軸的角度是 wt 。質(zhì)心對旋轉(zhuǎn)中心的向量為：

對式（2）兩次微分后，就得到了質(zhì)心的加速度：

2? ? 怠速座椅導(dǎo)軌振動優(yōu)化

2.1? ?問題分析

某車型試生產(chǎn)階段，部分車輛怠速抖動嚴重，對新下線的18輛車進行評價，不可接受車輛為8臺，不合格率為44%。測量問題車輛座椅導(dǎo)軌振動，試驗結(jié)果如圖3所示。

該車為動力總成橫置前驅(qū)，配置四缸直列發(fā)動機，怠速發(fā)動機轉(zhuǎn)速為700 r/min。由圖3可知，座椅導(dǎo)軌振動速度存在兩個峰值，頻率為11.7 Hz、23.3 Hz，分別對應(yīng)發(fā)動機的一階和二階。

通常情況下，四缸發(fā)動機主要激勵成分為二階、四階等階次。該車發(fā)動機一階振動較大，幅值與二階振動相當。初步判斷動力總成部件不平衡量或者裝配偏差過大，導(dǎo)致怠速車內(nèi)抖動問題。

2.2? ?動力總成不平衡分布分析

怠速時，動力總成參與傳遞扭矩的旋轉(zhuǎn)部件為曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器，如圖4所示。根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件不平衡產(chǎn)生類型，該系統(tǒng)不平衡來自兩方面，一是曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器等部件質(zhì)心線偏離旋轉(zhuǎn)中心，二是飛輪與扭轉(zhuǎn)減振器裝配引起的幾何中心偏離旋轉(zhuǎn)中心。

調(diào)查相關(guān)部件不平衡量分布情況，見表1。扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量約占整個系統(tǒng)不平衡量的85%，在整個系統(tǒng)中占比最大，是引起一階振動的關(guān)鍵部件。為確定扭轉(zhuǎn)減振器是否為引起怠速抖動的主要原因，在問題車上換裝不同的扭轉(zhuǎn)減振器，驗證扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量對座椅導(dǎo)軌振動的影響，驗證方案及結(jié)果如表2所示：

從表2可知，總體上扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量越小，車內(nèi)座椅導(dǎo)軌一階振動越小。扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量與座椅導(dǎo)軌一階振動速度對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，方案1～方案4扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量與座椅導(dǎo)軌一階振動速度基本成正比，以方案1～方案4各點分布做趨勢線，各點均分布在趨勢線附近，擬合度高，呈線性分布。方案5與其余4個方案偏離較大。

從不平衡振動形成機理分析，方案1～方案4扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量與座椅導(dǎo)軌一階振動成正比，是形成座椅導(dǎo)軌一階振動主要因素，屬于“質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心”轉(zhuǎn)子不平衡類型;方案5座椅導(dǎo)軌一階振動值明顯偏離趨勢線，高于趨勢值約2.4倍，一階振動速度除受扭轉(zhuǎn)減振器不平衡影響外，幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合的影響更加突出，屬于“質(zhì)心、幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心都不重合”轉(zhuǎn)子不平衡類型。

2.3? ? 動力總成裝配工藝優(yōu)化

該車發(fā)動機及變速器裝配端面如圖6和圖7所示，飛輪上有6個直孔，扭轉(zhuǎn)減振器柔性盤上6個螺栓穿過6個直孔，用螺母在飛輪背面緊固，實現(xiàn)發(fā)動機飛輪和變速器扭轉(zhuǎn)減振器配合。發(fā)動機和變速器殼體上有定位銷和孔，保證連接螺栓緊固前發(fā)動機曲軸飛輪和扭轉(zhuǎn)減振器同軸度。

動力總成合裝采用吊裝工藝，示意圖見圖8.a，發(fā)動機固定在流水線托盤上，裝配人員用吊鉤將變速器置于發(fā)動機飛輪附近，手動調(diào)整變速器位置，將變速器柔性盤螺栓與發(fā)動機飛輪螺栓孔對中、合裝，然后依次將6個螺母打緊。

吊裝工藝存在兩個風險：（1）手動對中、合裝無法保證柔性盤螺栓順利穿過飛輪螺栓孔，螺栓與螺紋孔或者飛輪端面磕碰，將導(dǎo)致柔性盤受力使扭轉(zhuǎn)減振器平面軸承偏斜，破壞軸系同軸度;（2）緊固螺母依次打緊，使柔性盤局部受力，同樣使扭轉(zhuǎn)減振器平面軸承偏斜。裝配引起的扭轉(zhuǎn)減振器平面軸承偏斜，破壞軸系同軸度，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)減振器不平衡量增大。且該過程不可逆，扭轉(zhuǎn)減振器一經(jīng)使用，不平衡量將無法恢復(fù)到使用前的狀態(tài)。

針對以上兩個風險，制定了兩個措施：（1）特制動力總成合裝滑軌，將變速器置于滑軌上，見圖8.b，可保證柔性盤螺栓與飛輪直孔對中精度，合裝過程避免柔性盤受力;（2）螺栓打緊采用先預(yù)緊后緊固的工藝順序，預(yù)緊和緊固均按對角打緊的工藝順序，保證裝配時柔性盤受力均勻。

在生產(chǎn)線逐步體現(xiàn)動力總成合裝工藝優(yōu)化措施，跟蹤驗證，座椅導(dǎo)軌一階振動值及平均值見圖9。其中，方案1#為原8臺問題車座椅振動平均值，方案2#和方案3#為10臺新下線車座椅導(dǎo)軌振動值。動力總成合裝工藝優(yōu)化后，座椅導(dǎo)軌一階振動速度平均值從0.76mm/s降低到0.15mm/s。通過優(yōu)化裝配工藝，提高旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)軸系同軸度，是控制一階振動重要途徑之一。

3? ? ?結(jié)論

本文針對怠速車內(nèi)一階振動大的問題，研究了旋轉(zhuǎn)部件不平衡振動產(chǎn)生機理。通過對動力總成旋轉(zhuǎn)部件不平衡量的調(diào)查分析以及對多種規(guī)格不平衡量的扭轉(zhuǎn)減振器進行裝配驗證，將問題鎖定在動力總成裝配工藝不合理，導(dǎo)致軸系同軸度過大。通過采用特制動力總成合裝滑軌以及螺母打緊工藝優(yōu)化，提高軸系同軸度，大幅改善了車內(nèi)抖動問題，為同類問題的解決提供了參考。

參考文獻：

[1]付江華，龐劍等.動力總成傳動系統(tǒng)動不平衡引起的怠速抽動研究[C]，2014年中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2014：1336-1338.

[2]蔣能強，任海峰等.聯(lián)軸器防振圈失效引起設(shè)備不對中案例分析[J]，設(shè)備管理與維修，2019（5）：115 -116.

[3]唐海軍，田波等.淺析渦輪部件裝配對燃氣渦輪發(fā)動機振動的影響[C]，第十五屆中國科協(xié)年會第13分會場：航空發(fā)動機設(shè)計、制造與應(yīng)用技術(shù)討論會論文集，2013.

[4]潘漢軍，劉婭.聯(lián)軸器對中誤差的分析與測量[J]，設(shè)備與安裝技術(shù)，2004，133（2）：1-4.

[5]龐劍等，汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.