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        動力總成懸置系統(tǒng)改進(jìn)與試驗(yàn)分析

        2012-06-02 09:31:08徐中明
        關(guān)鍵詞:振動系統(tǒng)

        徐中明,李 曉

        (重慶大學(xué) a.機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400030)

        動力總成和懸置元件組成動力總成懸置系統(tǒng)(以下簡稱懸置系統(tǒng))。懸置系統(tǒng)能夠衰減動力總成和車架之間的振動傳遞,并起到隔振、支承和限位的作用。懸置系統(tǒng)一般從固有頻率合理分配、提高解耦率、降低振動傳遞率或作用力等角度考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-3],其中解耦方法在懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛,主要有扭矩軸解耦、彈性解耦和能量解耦等[4-5]。當(dāng)懸置彈性中心與系統(tǒng)質(zhì)心重合時,懸置系統(tǒng)在6個方向上的振動完全解耦。多數(shù)文獻(xiàn)[6-17]都是從隔振的角度進(jìn)行懸置系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì),然后對懸置系統(tǒng)進(jìn)行仿真,再結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證懸置系統(tǒng)的隔振性能。本文從支撐和限位的角度出發(fā),針對某并聯(lián)式混合動力客車實(shí)際運(yùn)行中由于電機(jī)輸出軸與動力總成之間的運(yùn)動干涉所引起的連接法蘭盤斷裂的問題,對懸置系統(tǒng)進(jìn)行分析,提出改進(jìn)方案,并進(jìn)行試驗(yàn)測試。

        1 懸置系統(tǒng)剛體動力學(xué)建模與分析

        并聯(lián)式混合動力客車具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)2個動力源。本文將發(fā)動機(jī)動力總成(包括發(fā)動機(jī)、離合器和變速箱)作為研究對象。懸置系統(tǒng)的固有頻率通常比動力總成自身的自由模態(tài)頻率低得多,因此在研究懸置系統(tǒng)模態(tài)特性時將動力總成視為剛體,將橡膠懸置元件簡化為三向正交的彈簧阻尼模型,從而將懸置系統(tǒng)簡化成6自由度振動系統(tǒng),并建立其剛體動力學(xué)模型,如圖1所示。

        圖1 動力總成懸置系統(tǒng)剛體動力學(xué)模型

        圖1中動力總成的質(zhì)量為1 012 kg。慣量參數(shù)如表1所示。懸置元件剛度參數(shù)如表2所示。

        表1 動力總成的轉(zhuǎn)動慣量和慣性積 kg·m2

        表2 橡膠元件的剛度 N·mm-1

        對懸置系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果如表3所示。從表3可以看出:懸置系統(tǒng)的固有頻率偏低,整個懸置系統(tǒng)偏軟,導(dǎo)致總成位移偏大,造成運(yùn)動干涉,這與實(shí)際中該客車出現(xiàn)的問題相符。從能量解耦情況看,解耦率比較差,除了第1階模態(tài)沿X軸向平動的解耦率較理想外,其他各階的耦合都很嚴(yán)重,因此懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,需改進(jìn)。

        表3 懸置系統(tǒng)各階固有頻率和能量解耦率

        2 懸置系統(tǒng)改進(jìn)

        原方案中變速箱處于懸臂狀態(tài),懸置系統(tǒng)又偏軟,使得動力總成與車架的相對位移較大,造成動力總成與電機(jī)輸出軸之間產(chǎn)生運(yùn)動干涉,從而導(dǎo)致法蘭盤斷裂。因此,為了降低動力總成與車架的相對位移,抑制運(yùn)動干涉,從降低成本并且使改進(jìn)方案簡單、易實(shí)現(xiàn)的角度考慮,結(jié)合變速箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn),在變速箱下方添加一對相同的懸置元件作為輔助支撐,原有的懸置不變。改進(jìn)方案如圖2所示。

        圖2 改進(jìn)方案

        以提高懸置系統(tǒng)固有頻率和能量解耦率為目的,對變速箱下方的一對懸置元件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化結(jié)果如表4、5所示。從表5的結(jié)果來看,固有頻率和能量解耦率都明顯提高很多。

        表4 懸置剛度優(yōu)化結(jié)果 N·mm-1

        表5 優(yōu)化后各階固有頻率和能量解耦率

        3 懸置系統(tǒng)試驗(yàn)測試分析

        為了檢驗(yàn)在變速箱下方添加懸置后對動力總成側(cè)傾角的影響,測量了原方案和改進(jìn)方案總成和車架的角位移,從而分析改進(jìn)前后動力總成懸置系統(tǒng)的傾角變化情況。

        3.1 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)時通過角位移傳感器和數(shù)據(jù)采集器記錄各個工況下動力總成與車架的側(cè)傾角位移信號。角位移傳感器分別安裝在變速器和車架縱梁上,如圖3所示。

        圖3 角位移傳感器布置位置

        試驗(yàn)選擇在混合模式下,車輛分別以40、50和60 km/h的車速勻速行駛,然后再進(jìn)行制動的工況。為保證試驗(yàn)的一致性,車輛由同一個駕駛員來控制。使用IMC采集器記錄角位移傳感器輸出的電壓信號,采樣頻率為100 Hz,采樣時間為120 s。

        3.2 結(jié)果分析

        根據(jù)試驗(yàn)記錄,利用IMC FAMOS軟件編程將角位移傳感器所測得的電壓信號換算為角度,對各工況下記錄的角位移信號進(jìn)行處理。

        試驗(yàn)所測得的角位移是相對于水平位置的。由于路況多變,動力總成和車架的角位移傳感器有相互偏差,因此只能分析動力總成和車架之間的相對角位移。

        以40 km/h等速-制動工況為例。圖4、5分別給出了原方案和改進(jìn)方案動力總成和車架的側(cè)傾角位移、相對側(cè)傾角位移。

        由圖4、5可知:

        1)可以直觀地看出加裝變速器下方懸置后,在制動時,相對側(cè)傾角明顯變小。

        2)在不同試驗(yàn)工況下,動力總成與車架的相對角位移在等速時有波動,這是由于路況造成的。

        為了方便準(zhǔn)確地對比懸置系統(tǒng)改進(jìn)前后的效果,按如下方法計(jì)算各工況下動力總成相對車架的角位移:

        1)從動力總成和車架的角位移時域圖中,判斷出制動開始的時間和結(jié)束的時間,從中截取出制動階段。

        2)在制動階段計(jì)算動力總成和車架的相對角位移時,考慮到路況的變化,計(jì)算相對角位移的最大值和最小值,得到制動階段動力總成和車架相對角位移的變化范圍,以此作為評價指標(biāo)。

        各工況下的相對側(cè)傾角位移如表6所示。圖6為繪制出的折線。

        表6 制動階段動力總成與車架的相對側(cè)傾角位移范圍

        圖6 制動階段動力總成與車架的相對側(cè)傾角位移范圍

        圖6對比了在同一工況下改進(jìn)方案和原方案的效果。結(jié)果表明,在加裝變速器下方懸置后,動力總成和車架的相對側(cè)傾角明顯變小,說明改進(jìn)方案取得了良好的效果,能夠有效防止動力總成和電機(jī)輸出軸之間的運(yùn)動干涉。

        4 結(jié)束語

        本文通過分析混合動力客車動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)特性,提出了懸置系統(tǒng)改進(jìn)方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)測試。結(jié)果表明,改進(jìn)方案能有效地減小動力總成和車架之間的相對側(cè)傾角,對改善動力總成和電機(jī)輸出軸之間的運(yùn)動干涉具有良好作用。目前改進(jìn)方案已經(jīng)獲得了實(shí)際應(yīng)用。

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