康 強(qiáng)，李 潔，顧鵬云，左曙光

（1.浙江汽車工程學(xué)院，杭州 310000； 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 315000；3.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201800）

扭振作為汽車傳動(dòng)系最重要的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)形式之一，對(duì)傳動(dòng)系本身的平穩(wěn)、安全運(yùn)行有著直接影響。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者在此相關(guān)領(lǐng)域開展了大量研究，針對(duì)扭振現(xiàn)象的測(cè)試與分析、成因與特性等提出深刻見解[1–8]，并尋求出一系列控制扭振的技術(shù)手段[9–12]，在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用和檢驗(yàn)。

另一方面，隨著環(huán)境意識(shí)與用車品味的不斷提升，近年來(lái)汽車用戶對(duì)車內(nèi)聲振舒適性的要求日漸苛刻。而汽車傳動(dòng)系扭振除直接影響傳動(dòng)系自身的平穩(wěn)、安全運(yùn)行外，還引致車內(nèi)的振動(dòng)與噪聲，進(jìn)而影響車內(nèi)聲振舒適性。即意味著，對(duì)傳動(dòng)系扭振問題的研究與解決同樣也是改善車內(nèi)聲振舒適性的重要方面，由此必將涉及與之相關(guān)的諸多車輛構(gòu)造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析與綜合，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。近年來(lái)，此類研究工作也取得一定的進(jìn)展，針對(duì)一些車型的具體問題取得了技術(shù)成果[13–14]，并可對(duì)同類研究提供啟發(fā)和借鑒。然而，由于車型構(gòu)造設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造品質(zhì)的諸多差異，上述研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋紛繁復(fù)雜的問題現(xiàn)狀，工程領(lǐng)域迫切需要不斷擴(kuò)展、深化針對(duì)各類具體車型問題的研究，并歸納總結(jié)出相對(duì)簡(jiǎn)捷的問題處理原則以形成高效且具有一定普適性的規(guī)范化技術(shù)解決方案。顯然，這些均須以澄清傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理為基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，提升車內(nèi)聲振舒適性演變?yōu)檐囕v廠商吸引和穩(wěn)定用戶的至關(guān)重要的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)手段。在對(duì)某典型車輛的車內(nèi)聲振舒適性改進(jìn)研發(fā)中，確認(rèn)其傳動(dòng)系的扭振影響占據(jù)主導(dǎo)，表現(xiàn)為車輛加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的傳動(dòng)系扭振導(dǎo)致車內(nèi)強(qiáng)烈的聲振響應(yīng)，且前期的經(jīng)驗(yàn)性改進(jìn)措施對(duì)此收效甚微。因此，這里極有必要深入研究其機(jī)理從而為聲振舒適性改進(jìn)提供依據(jù)和線索，并從中歸納總結(jié)出處理相關(guān)問題的普適性原則，為后續(xù)進(jìn)一步形成規(guī)范化技術(shù)解決方案打下基礎(chǔ)。

1 典型車型及其車內(nèi)聲振舒適性

1.1 車型傳動(dòng)系布置及構(gòu)造解析

某前置后驅(qū)乘用車，其傳動(dòng)系由離合器、變速器、傳動(dòng)軸與萬(wàn)向節(jié)、主減速器、差速器及左右半軸構(gòu)成。其中，離合器、變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)組合在一起構(gòu)成動(dòng)力總成，由彈性懸置元件連接于車體上。傳動(dòng)軸為兩段式結(jié)構(gòu)，采用十字軸式萬(wàn)向節(jié)相連接，并在前段傳動(dòng)軸的后端近萬(wàn)向節(jié)處設(shè)置彈性中間支承與車體連接。而主減速器、差速器及左右半軸則被封裝于后橋橋殼內(nèi)，再通過后懸架彈簧及內(nèi)含彈性襯套的懸架導(dǎo)向桿系與車體連接?？梢?，動(dòng)力總成、傳動(dòng)系與車體之間通過彈性連接，整體上構(gòu)成一個(gè)形式完備的減、隔振系統(tǒng)，這就是進(jìn)行車內(nèi)聲振舒適性分析研究所依托的“對(duì)象系統(tǒng)”，包括作為聲、振激勵(lì)源的動(dòng)力總成及傳動(dòng)系本身，作為激勵(lì)對(duì)象的車體，以及作為激勵(lì)傳遞路徑的動(dòng)力總成懸置、傳動(dòng)軸中間支承、后懸架彈簧與導(dǎo)向桿系等構(gòu)造。如應(yīng)用得當(dāng)，則能有效抑制動(dòng)力總成及傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)激勵(lì)向車內(nèi)的傳遞。對(duì)此，解決問題的一般思路與方法無(wú)外乎是對(duì)“源”、“路徑”及“對(duì)象”的治理，并應(yīng)立足于整個(gè)系統(tǒng)（這一點(diǎn)非常重要，但卻很容易被忽視）開展綜合分析與評(píng)價(jià)，以有效協(xié)調(diào)其局部與整體、內(nèi)部與外部的矛盾。

圖1 車內(nèi)振動(dòng)與噪聲

1.2 車內(nèi)聲振舒適性的問題現(xiàn)象及分析

該車型量產(chǎn)后存在較為強(qiáng)烈的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲，如圖1所示。具體問題現(xiàn)象為：車輛平直路面加速行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在900 r/min～1500 r/min的中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，車內(nèi)振動(dòng)加劇并伴隨壓迫耳膜的低頻轟鳴聲，并以變速器3、4擋為甚，至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1800 r/min左右時(shí)現(xiàn)象緩解。另一方面，此問題現(xiàn)象的出現(xiàn)與車速無(wú)明顯關(guān)系，在車輛減速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)反向經(jīng)歷同樣的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)無(wú)此現(xiàn)象，在駐車空擋時(shí)也無(wú)此現(xiàn)象。事實(shí)上，類似問題亦普遍存在于多種同類車型中，甚至包括一些原裝進(jìn)口車型，這在一定程度上暗示著問題的廣泛性與復(fù)雜性。

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試、評(píng)價(jià)、對(duì)比分析與經(jīng)驗(yàn)判斷，確認(rèn)上述問題與傳動(dòng)系非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)激勵(lì)間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。但由于前期工作中對(duì)導(dǎo)致車內(nèi)聲振舒適性問題的作用機(jī)理并不清晰，致使一些本應(yīng)奏效的抗扭振技術(shù)手段（如調(diào)整軸系扭轉(zhuǎn)剛度、施加扭轉(zhuǎn)型動(dòng)力吸振器等）失去具體的針對(duì)性，以至收效甚微并使工作方向陷入混亂。

為擺脫這種被動(dòng)局面，須從揭示機(jī)理的角度尋求突破。這就需要對(duì)構(gòu)成上述對(duì)象系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)加以界定和組織。需要注意的是，這與其自然狀態(tài)的構(gòu)造形式并非僵化對(duì)應(yīng)。這里，按照主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)形式的不同，將發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸系、離合器旋轉(zhuǎn)元件及內(nèi)置扭轉(zhuǎn)減振器、變速器各擋軸系、各段傳動(dòng)軸及萬(wàn)向節(jié)、主減速器旋轉(zhuǎn)元件、差速器旋轉(zhuǎn)元件以及左右半軸歸于“旋轉(zhuǎn)系”，將“發(fā)動(dòng)機(jī)活塞”、“動(dòng)力總成-懸置系統(tǒng)”、“受軸系約束的后橋與懸架總成”以及“車身系統(tǒng)”等歸于“非旋轉(zhuǎn)系”。顯然，與前者相容的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)形式為“扭振”及（或）“非扭振”，而后者僅為“非扭振”。其動(dòng)態(tài)行為的相互作用將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)最終轉(zhuǎn)化為車內(nèi)聲振響應(yīng)，如圖2所示。

而對(duì)于此處的問題，前期已排除了“路面不平度”、“路面滾阻”和“空氣動(dòng)力”的影響。進(jìn)一步，就需要分門別類地采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試、分析手段，明確相關(guān)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為澄清其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)而揭示機(jī)理創(chuàng)造條件。

有必要說明的是，對(duì)于這里所研究的典型車型，由于受現(xiàn)實(shí)因素制約，針對(duì)其“動(dòng)力總成-懸置系統(tǒng)”聲振舒適性的后期整改恐難以落實(shí)。鑒于這種情況，并為使問題得到一定簡(jiǎn)化，可將其從對(duì)象系統(tǒng)中剔除。

2 相關(guān)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

顯然，面向相關(guān)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究應(yīng)以車內(nèi)聲振舒適性問題的解決為目標(biāo)。體現(xiàn)在工況條件的定義上，就須以車內(nèi)聲振舒適性的具體問題現(xiàn)象為導(dǎo)向。這里針對(duì)所研究的典型車型，將主導(dǎo)性的工況條件定義為：車輛在平直路面行駛，變速器各擋位（1～5擋及倒擋）半油門加速，使發(fā)動(dòng)機(jī)至少歷經(jīng)700 r/min～3000 r/min的轉(zhuǎn)速提升區(qū)間，并重點(diǎn)關(guān)注900 r/min～1800 r/min的相關(guān)信息。在試驗(yàn)研究中，可采用底盤測(cè)功機(jī)并配合油門執(zhí)行器確保工況的精確性與可重復(fù)性，且便于和分析研究相對(duì)比。事實(shí)上，圖1所示的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲信息即由此測(cè)試獲得。另一方面，圖1還明確了問題的頻率范圍基本限于20 Hz～100 Hz的低頻段內(nèi)，這正是車內(nèi)Booming的重要特征。

在上述工況及頻率范圍內(nèi)，針對(duì)圖2所示的各個(gè)子系統(tǒng)（剔除了“動(dòng)力總成-懸置系統(tǒng)”），立足問題研究與解決的具體需求，采用必要的測(cè)試、分析手段，得到其動(dòng)態(tài)特性有效信息如表1所示。其中扭振模態(tài)（50 Hz傳動(dòng)系扭振模態(tài)）通過建模計(jì)算獲得，非扭振模態(tài)（40 Hz后橋剛體俯仰模態(tài)）及頂棚（40 Hz、50 Hz左右局部模態(tài)）和背門模態(tài)（50 Hz左右局部模態(tài)）通過模態(tài)試驗(yàn)獲得，扭振及非扭振響應(yīng)通過實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得。

3 傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理

3.1 機(jī)理的揭示

立足圖2的“內(nèi)在的聯(lián)系”，并依據(jù)表1的“有效信息”，再結(jié)合相關(guān)理論與經(jīng)驗(yàn)，即可做出如下判斷：

排除：不在所關(guān)注頻率范圍（20 Hz～100 Hz）內(nèi)的因素——“旋轉(zhuǎn)系”的非扭振動(dòng)態(tài)行為（模態(tài)及響應(yīng)），以及對(duì)后期整改而言“不可控”的因素——車內(nèi)聲腔模態(tài)，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化問題分析；

（1）“旋轉(zhuǎn)系”在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生扭振，一方面在50 Hz（對(duì)于本文的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，主階次為2階，故頻率乘以30位對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即1500 r/min）左右出現(xiàn)扭振模態(tài)共振響應(yīng)，另一方面在40 Hz（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200 r/min）附近低頻范圍出現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)烈的非扭振模態(tài)響應(yīng)；

（2）“旋轉(zhuǎn)系”在50 Hz左右的扭振模態(tài)共振響應(yīng)通過相關(guān)傳遞路徑（后橋及懸架相關(guān)元件、傳動(dòng)軸中間支承、動(dòng)力總成懸置等），進(jìn)一步激勵(lì)車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并分別在此頻率附近與頂棚、背門形成共振響應(yīng)；

（3）“旋轉(zhuǎn)系”在40 Hz附近的低頻范圍內(nèi)，所出現(xiàn)的非扭振模態(tài)共振響應(yīng)實(shí)際上已經(jīng)超越了其在50 Hz左右的扭振共振響應(yīng)幅值。而這一相對(duì)強(qiáng)烈的非共振響應(yīng)導(dǎo)致了“受軸系約束的后橋與懸架總成”在其40 Hz左右的剛體模態(tài)頻率處產(chǎn)生共振響應(yīng)，進(jìn)而又激發(fā)了車身頂棚40 Hz左右的共振響應(yīng)；

（4）綜合頂棚、背門在50 Hz左右的共振響應(yīng)，以及頂棚在40 Hz左右的共振響應(yīng)，不難對(duì)圖1所示的車內(nèi)聲振現(xiàn)象作出合理解釋。

綜上，揭示出傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理，如圖3所示。

圖2 子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為與車內(nèi)聲振響應(yīng)間的內(nèi)在聯(lián)系

表1 子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有效信息

3.2 機(jī)理判斷的合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述機(jī)理判斷的合理性，有針對(duì)性地開展了相應(yīng)的試驗(yàn)工作：

（1）針對(duì)“車身系統(tǒng)”之頂棚：通過改變加強(qiáng)筋布置以增強(qiáng)頂棚剛度從而“消除”其40 Hz及50 Hz左右的局部模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4（a）、（b）所示；

（2）針對(duì)“車身系統(tǒng)”之背門：通過附加質(zhì)量而“消除”其50 Hz左右的局部模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4（c）所示；

（3）針對(duì)“受軸系約束的后橋與懸架總成”：通過在后橋殼體上（主減速器輸入端）安裝動(dòng)力吸振器而“消除”其40 Hz左右的剛體模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4（d）所示；

（4）針對(duì)“旋轉(zhuǎn)系”之模態(tài)共振：通過在傳動(dòng)軸末端安裝扭轉(zhuǎn)型動(dòng)力吸振器而“消除”其50 Hz左右的扭振模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4（e）所示；

（5）針對(duì)“旋轉(zhuǎn)系”之非模態(tài)共振：通過增大上述（4）中的扭轉(zhuǎn)型動(dòng)力吸振器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，擴(kuò)展其有效頻段到包含40 Hz的低頻非共振區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 4（f）所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，相關(guān)措施實(shí)施后均取得了預(yù)料中的效果。這不僅驗(yàn)證了機(jī)理判斷的合理性，事實(shí)上還對(duì)車內(nèi)聲振舒適性整改進(jìn)行了有價(jià)值的嘗試。

圖3 傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理

4 揭示機(jī)理的處理原則

綜上所述，在針對(duì)典型車型傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理揭示中，遵從了如下的處理原則：

（1）以車內(nèi)聲振舒適性的具體問題現(xiàn)象為導(dǎo)向，定義問題研究所依托的工況條件，一般包括：行車路況、車速控制方式及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍等。同時(shí)，通過對(duì)具體問題現(xiàn)象的分析，明確問題的頻率范圍，作為后續(xù)研究的限制前提；

（2）以車型傳動(dòng)系布置及構(gòu)造為依據(jù)，從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，就對(duì)象系統(tǒng)所包含車輛構(gòu)造的范圍加以界定，即澄清動(dòng)態(tài)激勵(lì)的“源”、“路徑”及“對(duì)象”，并合理劃分各個(gè)子系統(tǒng)。一般情況下，“旋轉(zhuǎn)系”、“非旋轉(zhuǎn)系”是一個(gè)可行的劃分標(biāo)準(zhǔn)，前者的激勵(lì)與響應(yīng)形式為“扭振”及“非扭振”，而后者僅為“非扭振”，其動(dòng)態(tài)行為與車內(nèi)聲振響應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系可由圖2來(lái)描述；

（3）必要時(shí)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性約束條件，就對(duì)象系統(tǒng)所包含車輛構(gòu)造進(jìn)行再確認(rèn)，旨在剔除那些不滿足現(xiàn)實(shí)約束條件的子系統(tǒng)，從而在一定程度上使問題得到簡(jiǎn)化；

（4）按照上述（1）所定義的工況條件，針對(duì)（2）及（3）所界定的對(duì)象系統(tǒng)的相關(guān)子系統(tǒng)開展聲振測(cè)試、分析，涉及“扭振”及（或）“非扭振”情形下的“模態(tài)”及（或）“響應(yīng)”信息，以明確子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并參照表1的模式提取研究與解決問題的有效信息；

圖4 機(jī)理判斷合理性的試驗(yàn)驗(yàn)證

（5）立足圖2的“內(nèi)在的聯(lián)系”，并依據(jù)表1的“有效信息”，再結(jié)合相關(guān)理論與經(jīng)驗(yàn)，即可對(duì)傳動(dòng)系扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理加以判斷。在判斷思維的過程中，需要回答如下兩方面的核心問題：一方面，包括扭振在內(nèi)的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)激勵(lì)是否會(huì)激起系統(tǒng)自身或其子系統(tǒng)的模態(tài)共振（含聲腔模態(tài)及聲振耦合模態(tài)）？如果是的話，如何破壞其共振條件？另一方面，除共振因素外，系統(tǒng)及其子系統(tǒng)是否受到較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)而導(dǎo)致相對(duì)劇烈的響應(yīng)？如果是的話，有無(wú)消除的可能性？這些就是分析和解決問題的總的切入點(diǎn)；

（6）上述機(jī)理判斷的合理性須通過一定方式加以驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)一款具有前置后驅(qū)型傳動(dòng)系布置的典型車型，揭示出車輛加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的傳動(dòng)系低頻扭振影響車內(nèi)聲振舒適性的作用機(jī)理，從而為車內(nèi)聲振舒適性的改進(jìn)提供了依據(jù)和線索。

（2）依托典型車型具體問題的機(jī)理研究，從中歸納總結(jié)出處理相關(guān)問題的普適性原則，可推廣應(yīng)用于同類車型問題的研究和解決。

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