王曉宏 陳文博 楊劍

關(guān)鍵詞：低頻振動(dòng)動(dòng)平衡階次改善措施

1前言

在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)上，同檔次車型在常規(guī)性能方面的綜合“性價(jià)比”越來(lái)越接近較高水平，因此提高車輛的駕乘舒適性成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，其中NVH占據(jù)主要地位。NVH不僅是影響車輛舒適性的重要因素，也是評(píng)價(jià)車輛質(zhì)量品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。涉及車輛的振動(dòng)噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為汽車技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

對(duì)于早期的車型，多數(shù)情況下來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲在車輛整體NVH品質(zhì)中占據(jù)主導(dǎo)地位，NVH控制的對(duì)象也較為明確和單一。近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲水平有較大幅度的降低，相應(yīng)的車內(nèi)外噪聲也大幅度降低，但由此導(dǎo)致車輛NVH控制問(wèn)題的復(fù)雜程度劇增。

12.5Hz低頻振動(dòng)在人體比較敏感的振動(dòng)頻率區(qū)間內(nèi)，根據(jù)GB/T 13442-92《人體全身振動(dòng)暴露的舒適性降低界限和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》規(guī)定，人體在12.5Hz振動(dòng)環(huán)境中能保持24h舒適性的振動(dòng)幅值應(yīng)該小于0.063m/S2，而在此頻率下達(dá)到使人完全感受不到的振動(dòng)幅值應(yīng)該有更嚴(yán)苛的要求。

2問(wèn)題現(xiàn)象描述和振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

某款輕型貨車主觀評(píng)價(jià)怠速工況低頻振動(dòng)較大，主要表現(xiàn)在大腿晃動(dòng)幅度大，使人感受極不舒服，主觀評(píng)價(jià)不可接受。

針對(duì)以上現(xiàn)象，在車輛定置狀態(tài)測(cè)試怠速工況下主駕地板振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

從圖1可以看到，怠速工況下主駕地板振動(dòng)水平在12.5Hz達(dá)到0.13m/S2（主要是Y向）.在25Hz達(dá)到0.095m/s2，而對(duì)主駕地板怠速振動(dòng)12.5Hz目標(biāo)值為0.05m/s2， 25Hz目標(biāo)值為0.1m/S2，顯然地板怠速一階Y向振動(dòng)沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)，所以以下主要研究Y向振動(dòng)。

3問(wèn)題分析

發(fā)動(dòng)機(jī)一階振動(dòng)問(wèn)題源頭是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)過(guò)大。導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大的原因可能有曲軸本身不平衡過(guò)大，飛輪不平衡過(guò)大，離合器不平衡過(guò)大，扭轉(zhuǎn)減震器不平衡過(guò)大等，傳遞路徑方面可能有動(dòng)力總成剛體模態(tài)共振、駕駛室剛體模態(tài)共振、車架模態(tài)共振等，分析如圖2所示。

結(jié)合考慮各方面因素，逐步對(duì)以上可能導(dǎo)致低頻振動(dòng)的原因進(jìn)行排查。

3.1動(dòng)力總成懸置解耦分析和隔振性能試驗(yàn)

動(dòng)力總成通過(guò)懸置與車身相連，動(dòng)力總成的振動(dòng)能否傳遞到車身進(jìn)而傳遞到乘坐窒壁板主要取決于懸置的隔振性能。評(píng)價(jià)一個(gè)由懸置和發(fā)動(dòng)機(jī)組成的三維系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)考察懸置的隔振率、發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)解耦程度等指標(biāo)。此車型動(dòng)力總成通過(guò)三個(gè)橡膠懸置與車身相連（發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)，變速箱一個(gè)），如圖3所示。

查詢動(dòng)力總成懸置計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力總成剛體模態(tài)頻率分別為7.9Hz、9.1Hz、9.3Hz、10.6Hz、13.1Hz、17.0Hz，已經(jīng)避開怠速一階激勵(lì)頻率12.5 Hz（表1），所以初步排除動(dòng)力總成懸置共振對(duì)車內(nèi)怠速一階振動(dòng)問(wèn)題的影響。

為了進(jìn)一步確定此怠速一階振動(dòng)是否由于動(dòng)力總成懸置共振導(dǎo)致，對(duì)主駕地板做掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，具體操作是分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?50r/min到950r/min、轉(zhuǎn)速間隔50r/min分別采集各個(gè)轉(zhuǎn)速下地板振動(dòng)數(shù)據(jù)，只對(duì)Y向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

從圖4數(shù)據(jù)分析可以看出，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下地板Y向振動(dòng)數(shù)據(jù)變化不大，且并沒(méi)有表現(xiàn)出像是在12.5Hz下發(fā)生共振的特征（12.5Hz附近振動(dòng)很明顯比其他頻率下的振動(dòng)大）。所以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掃頻試驗(yàn)進(jìn)一步證明，此怠速一階振動(dòng)問(wèn)題不是由動(dòng)力總成懸置共振導(dǎo)致。

3.2曲軸、飛輪、離合器動(dòng)平衡試驗(yàn)

怠速一階振動(dòng)的源頭是由曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生，而動(dòng)不平衡量過(guò)大是導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)變大的重要原因，其中包括曲軸自身動(dòng)不平衡、飛輪動(dòng)不平衡、離合器動(dòng)不平衡等。

把離合器從動(dòng)盤和壓盤進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)：離合器壓盤設(shè)計(jì)不平衡量是小于500g'mm檢測(cè)結(jié)果為220g'mm，檢測(cè)合格;離合器從動(dòng)盤設(shè)計(jì)不平衡量是小于450g'mm，檢測(cè)結(jié)果為320g'mm，檢測(cè)合格。同樣把曲軸和飛輪進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，曲軸設(shè)計(jì)不平衡量是小于20g'mm，檢測(cè)結(jié)果為15g'mm，檢測(cè)合格;飛輪設(shè)計(jì)不平衡量是小于25g'mm檢測(cè)為12g'mm，檢測(cè)合格。如圖5、圖6所示。

3.3發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)減震器

曲軸是一種扭轉(zhuǎn)彈性系統(tǒng)，本身具有一定的自振頻率。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，經(jīng)連桿傳給曲柄銷作用力的大小和方向都是呈周期性變化，這種周期性變化的激力作用在曲軸上，引起曲拐回轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角速度也呈周期性變化。由于固裝在曲軸上的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，其瞬時(shí)角速度基本上可看作是均勻的。如此，曲拐便會(huì)忽而比飛輪轉(zhuǎn)得快，忽而又比飛輪轉(zhuǎn)得慢，形成相對(duì)于飛輪的扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，也就是曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，當(dāng)激振力頻率與曲軸自振頻率成整數(shù)倍時(shí)，曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)便因共振而加劇。這將使發(fā)動(dòng)機(jī)功率受到損失，正時(shí)齒輪或鏈條磨損增加，嚴(yán)重時(shí)甚至將曲軸扭斷。

為了消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，有的發(fā)動(dòng)機(jī)在曲軸前端裝有減振裝置，稱為曲軸減震器（圖7），使曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能量逐漸消耗于減振器內(nèi)的摩擦，從而使振幅逐漸減小。

常見的橡膠摩擦式單級(jí)扭振減振器由減振器殼體1、硫化橡膠層2和減振器慣性質(zhì)量3等組成，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的慣性質(zhì)量3用一層橡膠墊和由薄鋼片沖壓制成的殼體1相連。殼體1和慣性質(zhì)量3都同硫化橡膠層2硫化粘接，殼體1的轂部用螺栓固裝于曲軸前端的風(fēng)扇帶輪上。

當(dāng)曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，曲軸前端的角振幅最大，而且通過(guò)帶輪輪轂帶動(dòng)殼體1-起振動(dòng)。慣性質(zhì)量3則因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大而實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)小型的飛輪，其轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)角速度也比殼體1均勻得多。如此，慣性質(zhì)量3就同殼體1有了相對(duì)角振動(dòng)，而使硫化橡膠層2產(chǎn)生正反方向交替變化的扭轉(zhuǎn)變形。由于橡膠墊變形而產(chǎn)生的橡膠內(nèi)部的分子摩擦，消耗了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能量，整個(gè)曲軸的扭轉(zhuǎn)振幅將減小，把曲軸共振轉(zhuǎn)速移向更高的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，從而避免在常用的轉(zhuǎn)速內(nèi)出現(xiàn)共振。

通過(guò)拆解發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)減震器，發(fā)現(xiàn)此車扭轉(zhuǎn)減震器的硫化橡膠層已經(jīng)有部分脫落，并發(fā)生嚴(yán)重變形，這將使扭轉(zhuǎn)減震器的動(dòng)不平衡量增大，以及對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減減弱，導(dǎo)致曲軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞出來(lái)，并直接傳到駕駛室地板，成為此車所表現(xiàn)出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)一階振動(dòng)大的問(wèn)題。為了驗(yàn)證以上猜想，更換發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)減震器，測(cè)試駕駛室地板振動(dòng)響應(yīng)。

4改進(jìn)驗(yàn)證

對(duì)以上動(dòng)力總成更換全新扭轉(zhuǎn)減震器，并重新測(cè)試主駕地板怠速振動(dòng)數(shù)據(jù)，見圖8，可以看到地板y向怠速一階振動(dòng)已經(jīng)大幅度降低，由原來(lái)的0.15m/S2降低到現(xiàn)在的0.01m/S2，已經(jīng)達(dá)到前期目標(biāo)設(shè)定值，且明顯優(yōu)于競(jìng)品。

5結(jié)語(yǔ)

a.此車怠速一階振動(dòng)主要表現(xiàn)在12.5Hz的低頻振動(dòng)，經(jīng)過(guò)排查主要原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)減震器損壞導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大。

b.扭轉(zhuǎn)減震器有很多功能，比如：消減曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高曲軸的疲勞壽命，減少應(yīng)力水平;傳遞扭矩，衰減扭矩波動(dòng);減少整車的振動(dòng)、噪聲。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、飛輪、離合器的動(dòng)平衡問(wèn)題同樣也會(huì)對(duì)整車振動(dòng)噪聲產(chǎn)生非常大的影響，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制。