客車拍頻振動現(xiàn)象的識別及改進(jìn)

郭 彬， 袁 帥， 李艷君， 時培偉

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

拍頻現(xiàn)象常見于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)中，是系統(tǒng)中一個或多個穩(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現(xiàn)象[1]，是由于兩個或兩個以上不同頻率且幅值相差不大的振動相互疊加的結(jié)果?？蛙囅到y(tǒng)中發(fā)動機(jī)的曲軸、齒輪系統(tǒng)以及整車的風(fēng)扇、空調(diào)、傳動系統(tǒng)都是旋轉(zhuǎn)件，如果設(shè)計不合理，其在某些特定轉(zhuǎn)速下振動頻率和幅值接近時，很容易產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，駕駛員和乘客會感受到周期性的振動起伏，從而影響駕乘舒適性[2]。

本文針對某客車開發(fā)過程中出現(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

利用最基本的簡諧振動模型，可以說明拍頻現(xiàn)象的特性。假設(shè)有2個同方向的簡諧振動[3]：

y1=a1sin(ω1t+ψ1)，y2=a2sin(ω2t+ψ2)

將y1式與y2式相加，得：

此時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，幅值在(a1+a2)到(a1-a2)之間來回變化。

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

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

某6缸柴油機(jī)客車開發(fā)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的拍頻現(xiàn)象，在空擋條件下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 800～2 200 r/min時非常明顯，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。

因車輛在未行駛狀態(tài)就產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，所以故障來源可以將傳動系統(tǒng)排除在外[6]。將整車主要旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對于曲軸的傳動比進(jìn)行歸類，用以找出因傳動比相近而可能誘發(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)計得比較接近(相對于曲軸，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)，初步懷疑故障來自發(fā)動機(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渡作用，所受激勵小，振動小，一般不會產(chǎn)生較大振動。

2 故障源識別及改進(jìn)措施

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

2.1 頻譜分析法

頻譜分析法可以確定故障發(fā)生時的振動頻率、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)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速緩慢上升到最高空車轉(zhuǎn)速，對整車進(jìn)行振動試驗(yàn)，在后排座椅基座布置三向振動加速度傳感器。

試驗(yàn)工況：空調(diào)壓縮機(jī)、風(fēng)扇同時開啟，發(fā)動機(jī)為定置加速工況。

后排座椅處在發(fā)動機(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)頻之間有對應(yīng)關(guān)系[12]。階次是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，對轉(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)頻階次為其相對于曲軸的速比。圖中3條較亮的斜線分別代表曲軸振動烈度時，空調(diào)壓縮機(jī)振動以及風(fēng)扇振動在后排座椅處的響應(yīng)，對應(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)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時振動較大，Z向振動烈度達(dá)到6.77 mm/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，振動烈度超過3 mm/s時人體會感受到明顯振動。前端惰輪雖然與空調(diào)壓縮機(jī)的速比接近，但其振動能量較小，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)動機(jī)維持在拍頻嚴(yán)重的2 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，對整車進(jìn)行振動試驗(yàn)，在后排座椅基座布置三向振動加速度傳感器。

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域信號，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；而空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)扇都不工作時，時域信號平整且幅值較小。

圖2 2 000 r/min各狀態(tài)振動時域信號

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)計得過于接近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頻率不要過于接近?？梢酝ㄟ^調(diào)整風(fēng)扇帶輪或空調(diào)壓縮機(jī)帶輪的直徑來實(shí)現(xiàn)。由于調(diào)整風(fēng)扇速比比較困難(需要重新匹配對整車熱平衡的影響)，本文通過更改空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)動機(jī)曲軸之間速比的方法進(jìn)行調(diào)整。

發(fā)動機(jī)曲軸帶輪通過皮帶與空調(diào)壓縮機(jī)帶輪相連，驅(qū)動空調(diào)工作。發(fā)動機(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，使其振動激勵進(jìn)一步減小。

圖3為改進(jìn)后的后排座椅處Z向振動頻譜圖，空調(diào)壓縮機(jī)振動激勵由1.24階提高到1.27階(即各自速比乘以1階)，雖然各階次的振動分量依然存在，但其幅值大幅降低，Z向振動烈度由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向振動時域加速度信號，可以看到波浪形的周期信號現(xiàn)象消失，拍頻現(xiàn)象大幅減輕。

圖4 改進(jìn)后2 000 r/min座椅振動時域信號

3 結(jié)束語

本文針對某客車開發(fā)過程中出現(xiàn)的拍頻現(xiàn)象，利用西門子公司的LMS Testlab模塊，對整車進(jìn)行相應(yīng)的振動試驗(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)的速比與曲軸過于接近，并通過更改空調(diào)壓縮機(jī)的傳動比，減輕了拍頻現(xiàn)象。