郭 彬， 袁 帥， 李艷君， 時(shí)培偉

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濰坊 261000； 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261000)

拍頻現(xiàn)象常見(jiàn)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)中，是系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)態(tài)振源的頻率與另一振源的頻率接近而引起的一種異常振動(dòng)現(xiàn)象[1]，是由于兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻率且幅值相差不大的振動(dòng)相互疊加的結(jié)果?？蛙囅到y(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、齒輪系統(tǒng)以及整車的風(fēng)扇、空調(diào)、傳動(dòng)系統(tǒng)都是旋轉(zhuǎn)件，如果設(shè)計(jì)不合理，其在某些特定轉(zhuǎn)速下振動(dòng)頻率和幅值接近時(shí)，很容易產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，駕駛員和乘客會(huì)感受到周期性的振動(dòng)起伏，從而影響駕乘舒適性[2]。

本文針對(duì)某客車開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的拍頻現(xiàn)象，利用西門子公司的LMS Testlab模塊，采用頻譜分析法和分別運(yùn)轉(zhuǎn)法確定產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象的原因，并作出相應(yīng)改進(jìn)。

1 客車拍頻現(xiàn)象

利用最基本的簡(jiǎn)諧振動(dòng)模型，可以說(shuō)明拍頻現(xiàn)象的特性。假設(shè)有2個(gè)同方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)[3]：

y1=a1sin(ω1t+ψ1)，y2=a2sin(ω2t+ψ2)

將y1式與y2式相加，得：

此時(shí)y為拍振，其幅值按余弦規(guī)律以圓頻率(ω1-ω2)/2做周期波動(dòng)，幅值在(a1+a2)到(a1-a2)之間來(lái)回變化。

當(dāng)ω1與ω2很接近時(shí)，(ω1-ω2)/2頻率很低，周期會(huì)較長(zhǎng)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象[4]。若同時(shí)幅值a1≈a2=a，合成后的振動(dòng)幅值會(huì)在a到0之間以圓頻率做周期波動(dòng)，此時(shí)人體感受到明顯的振動(dòng)起伏。若a1遠(yuǎn)大于a2，合成后的振動(dòng)幅值≈2a1，此時(shí)人體感受不到明顯的振動(dòng)起伏。

拍頻現(xiàn)象是振動(dòng)合成過(guò)程中產(chǎn)生的一種特有現(xiàn)象，兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成結(jié)果已不再是一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而是復(fù)雜的振幅隨時(shí)間周期變化的振動(dòng)[5]。

某6缸柴油機(jī)客車開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的拍頻現(xiàn)象，在空擋條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 800～2 200 r/min時(shí)非常明顯，駕駛區(qū)及乘客區(qū)都能有明顯的周期性拍背和頂屁股的感覺(jué)。

因車輛在未行駛狀態(tài)就產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，所以故障來(lái)源可以將傳動(dòng)系統(tǒng)排除在外[6]。將整車主要旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對(duì)于曲軸的傳動(dòng)比進(jìn)行歸類，用以找出因傳動(dòng)比相近而可能誘發(fā)拍頻現(xiàn)象的零部件。查詢整車配置單發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)、前端惰輪速比設(shè)計(jì)得比較接近(相對(duì)于曲軸，風(fēng)扇速比為1.10～1.16，空調(diào)壓縮機(jī)速比為1.24，前端惰輪速比為1.26)，初步懷疑故障來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)或風(fēng)扇系統(tǒng)。前端惰輪由于本身只起到皮帶的過(guò)渡作用，所受激勵(lì)小，振動(dòng)小，一般不會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)。

2 故障源識(shí)別及改進(jìn)措施

采用頻譜分析法[7]和分別運(yùn)轉(zhuǎn)法[8-10]來(lái)確定振動(dòng)源。

2.1 頻譜分析法

頻譜分析法可以確定故障發(fā)生時(shí)的振動(dòng)頻率、幅值及諧次性等信息[11]，結(jié)合分別運(yùn)轉(zhuǎn)法，可以定位具體故障源。

定置工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷倬徛仙阶罡呖哲囖D(zhuǎn)速，對(duì)整車進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，在后排座椅基座布置三向振動(dòng)加速度傳感器。

試驗(yàn)工況：空調(diào)壓縮機(jī)、風(fēng)扇同時(shí)開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)為定置加速工況。

后排座椅處在發(fā)動(dòng)機(jī)定置加速工況下的加速度頻譜圖，如圖1所示，圖中亮度變化代表加速度幅值的大小變化，越亮加速度幅值越大。

圖1 定置升速工況后排座椅振動(dòng)頻譜圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有階次特性，階次特性與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)頻之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。階次是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)速保持不變。如取曲軸轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速，即為1階，則其他旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)頻階次為其相對(duì)于曲軸的速比。圖中3條較亮的斜線分別代表曲軸振動(dòng)烈度時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)以及風(fēng)扇振動(dòng)在后排座椅處的響應(yīng)，對(duì)應(yīng)階次分別為1階、1.24階和1.10階(即各自速比乘以1階)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)較大，Z向振動(dòng)烈度達(dá)到6.77 mm/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)烈度超過(guò)3 mm/s時(shí)人體會(huì)感受到明顯振動(dòng)。前端惰輪雖然與空調(diào)壓縮機(jī)的速比接近，但其振動(dòng)能量較小，未能傳遞到后排座椅處。

2.2 分別運(yùn)轉(zhuǎn)法

為了進(jìn)一步確認(rèn)拍頻現(xiàn)象與空調(diào)壓縮機(jī)及風(fēng)扇的關(guān)系，采用分別運(yùn)轉(zhuǎn)法進(jìn)行分析。

定置工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)維持在拍頻嚴(yán)重的2 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)整車進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，在后排座椅基座布置三向振動(dòng)加速度傳感器。

試驗(yàn)分3種工況進(jìn)行：風(fēng)扇不工作；空調(diào)壓縮機(jī)不工作；風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)都不工作。

圖2所示為后排座椅處各工況加速度時(shí)域信號(hào)，上圖為風(fēng)扇不工作狀態(tài)與空調(diào)壓縮機(jī)不工作狀態(tài)的對(duì)比，下圖為空調(diào)壓縮機(jī)不工作與風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)都不工作狀態(tài)的對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，在只保留空調(diào)壓縮機(jī)工作和只保留風(fēng)扇工作2種狀態(tài)下都出現(xiàn)了呈波浪形的周期性信號(hào)；而空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)扇都不工作時(shí)，時(shí)域信號(hào)平整且幅值較小。

圖2 2 000 r/min各狀態(tài)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

由圖2可知，風(fēng)扇不工作或空調(diào)壓縮機(jī)不工作狀態(tài)下拍頻現(xiàn)象依然存在，而只有兩者全部關(guān)閉后拍頻現(xiàn)象才會(huì)消失。因此，此車拍頻現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)轱L(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)的速比設(shè)計(jì)得過(guò)于接近1。

2.3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

為了避免拍頻現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)調(diào)整風(fēng)扇速比、空調(diào)壓縮機(jī)速比，使得風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)及曲軸三者之間的振動(dòng)頻率不要過(guò)于接近?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整風(fēng)扇帶輪或空調(diào)壓縮機(jī)帶輪的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于調(diào)整風(fēng)扇速比比較困難(需要重新匹配對(duì)整車熱平衡的影響)，本文通過(guò)更改空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸之間速比的方法進(jìn)行調(diào)整。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶輪通過(guò)皮帶與空調(diào)壓縮機(jī)帶輪相連，驅(qū)動(dòng)空調(diào)工作。發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪直徑205 mm，空調(diào)壓縮機(jī)帶輪直徑由165 mm改為160 mm，空調(diào)與發(fā)動(dòng)機(jī)速比由1.24增加到1.27，并在允許的范圍內(nèi)降低了空調(diào)皮帶的張緊力，使其振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)一步減小。

圖3為改進(jìn)后的后排座椅處Z向振動(dòng)頻譜圖，空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)激勵(lì)由1.24階提高到1.27階(即各自速比乘以1階)，雖然各階次的振動(dòng)分量依然存在，但其幅值大幅降低，Z向振動(dòng)烈度由6.77 mm/s降低到1.24 mm/s，主觀感受拍頻現(xiàn)象大幅減弱。

圖3 改進(jìn)后定置升速工況座椅振動(dòng)頻譜圖

因?yàn)榇伺念l現(xiàn)象是曲軸、風(fēng)扇以及空調(diào)系統(tǒng)三者振動(dòng)耦合的結(jié)果，將空調(diào)壓縮機(jī)速比增加后，減輕了三者的振動(dòng)耦合，使得拍頻現(xiàn)象得到了有效的控制。

圖4為改進(jìn)后的后排座椅處Z向振動(dòng)時(shí)域加速度信號(hào)，可以看到波浪形的周期信號(hào)現(xiàn)象消失，拍頻現(xiàn)象大幅減輕。

圖4 改進(jìn)后2 000 r/min座椅振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某客車開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的拍頻現(xiàn)象，利用西門子公司的LMS Testlab模塊，對(duì)整車進(jìn)行相應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)，確定了造成拍頻的原因?yàn)榭照{(diào)壓縮機(jī)、風(fēng)扇系統(tǒng)的速比與曲軸過(guò)于接近，并通過(guò)更改空調(diào)壓縮機(jī)的傳動(dòng)比，減輕了拍頻現(xiàn)象。