某款配置手動(dòng)變速箱汽車傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模態(tài)分析

田文祥 繆國(guó)

摘 要：本文主要針對(duì)某款配置六擋手動(dòng)變速箱的汽車，建立了從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振模型，通過(guò)自由振動(dòng)計(jì)算分析獲得了各擋位工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)階的振型。進(jìn)一步對(duì)比分析了不同擋位對(duì)傳動(dòng)系扭振模態(tài)頻率的影響;最后對(duì)同一擋位的模態(tài)特征進(jìn)行了貢獻(xiàn)度分析，為手動(dòng)擋車輛傳動(dòng)系統(tǒng)扭振調(diào)諧提供參考。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速箱 前置后驅(qū) 扭振分析 模態(tài)分析 貢獻(xiàn)度分析

1 引言

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、驅(qū)動(dòng)半軸和車輪等組成，它們之間通過(guò)各種形式的連接構(gòu)成了力學(xué)特性較為復(fù)雜的傳動(dòng)鏈;在整個(gè)傳動(dòng)鏈中有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)較大的部位，也有扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較大的部位，在實(shí)際使用過(guò)程中這些部位會(huì)發(fā)生動(dòng)勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換，形成了一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，在激勵(lì)的作用下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)共振，相關(guān)部件所受載荷將急劇增加。若這種情況發(fā)生在車輛經(jīng)常使用的范圍內(nèi)，將對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)零件的使用壽命有嚴(yán)重影響。情況嚴(yán)重時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中甚至還會(huì)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，使嚙合的輪齒間發(fā)生撞擊，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，增加對(duì)車內(nèi)及車上環(huán)境的噪聲污染[1]。在傳動(dòng)系匹配設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過(guò)合理調(diào)整動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模態(tài)頻率分布[2-5]，使其避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率及避開(kāi)懸置系統(tǒng)的關(guān)鍵模態(tài)頻率，有利用降低由傳動(dòng)系統(tǒng)扭振導(dǎo)致的車內(nèi)異響，提高整車聲品質(zhì)[6]。

本文以一款配置手動(dòng)變速箱的前置后驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系車型為例，建立了從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪整個(gè)傳動(dòng)系的詳細(xì)的扭振模型，通過(guò)自由振動(dòng)計(jì)算分析獲得了各擋位工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)階的振型。進(jìn)一步對(duì)比分析了不同擋位對(duì)傳動(dòng)系扭振模態(tài)頻率的影響;然后對(duì)同一擋位的模態(tài)特征進(jìn)行了貢獻(xiàn)度分析，從機(jī)理端找出對(duì)特定階模態(tài)頻率影響最大的慣量單元和剛度單元，為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振調(diào)諧提供指導(dǎo)。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模

動(dòng)力傳動(dòng)系首端為發(fā)動(dòng)機(jī)，末端為車輪及與之相連的車身平動(dòng)質(zhì)量，組成了一個(gè)多質(zhì)量的彈性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。在計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率和振型時(shí)，忽略系統(tǒng)的阻尼，即分析系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)特性，給出無(wú)阻尼自振頻率和相應(yīng)階的振型。

圖1為根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論和扭振分析當(dāng)量簡(jiǎn)化原則，使用Amesim軟件建立的上文提到的一款配置手動(dòng)變速箱的前置后驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系汽車的扭振模態(tài)分析模型。如圖1中所示，區(qū)別與以往扭振分析工作中將變速箱簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化為一個(gè)慣量單元和剛度單元，為了充分了解變速箱內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，文中對(duì)變速箱部分進(jìn)行了較詳細(xì)的當(dāng)量簡(jiǎn)化建模。模型中有22個(gè)慣量單元和18個(gè)剛度單元，模型慣量參數(shù)如表1所示，模型剛度參數(shù)如表2所示。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模態(tài)計(jì)算及分析

通過(guò)自由振動(dòng)分析，得到各擋位工況傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率如表3所示。

由固有頻率表3分析可知，第一階模態(tài)頻率分布在3Hz～10Hz，頻率隨擋位升高而增大。第二階模態(tài)頻率分布在64Hz～37Hz，頻率隨擋位升高而減小，對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。第三階模態(tài)頻率分析布在151Hz～203Hz，頻率隨擋位的升高而增大。第四階模態(tài)頻率穩(wěn)定在353Hz左右。

圖2給出了一擋工況前四階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型的分析結(jié)果，篇幅原因其它擋位的振型分析結(jié)果不便給出。

由振型圖分析可知，第一階為系統(tǒng)模態(tài)，振型中幅值較大的部位在飛輪、輸入軸。第二階也為系統(tǒng)模態(tài)，振型中幅值較大的部位在輸入軸、中間軸，且由上面的頻率分析結(jié)果可知，該階模態(tài)對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該階模態(tài)易被激起，可能會(huì)導(dǎo)致變速箱敲擊異響。第三階同樣為系統(tǒng)模態(tài)，振型與第二階相似，在傳動(dòng)軸段有稍許變化。第四階為半軸局部模態(tài)。

4 傳動(dòng)系統(tǒng)扭振模態(tài)頻率貢獻(xiàn)度分析

通過(guò)空間變換處理，可以得到各擋位前四階扭振模態(tài)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，篇幅原因下面只給出了三擋前四階模態(tài)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果如圖3所示，其中I表示慣量單元，C表示剛度單元。

由分析可知，第一階系統(tǒng)模態(tài)的頻率主要受飛輪慣量、離合器剛度、半軸剛度的影響，且隨著擋位升高離合器剛度的影響占比增大，半軸剛度的影響占比減小。第二階系統(tǒng)模態(tài)的頻率主要受離合器剛度、半軸剛度、差殼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，隨著擋位的升高半軸剛度、差殼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響占比增大。第三階系統(tǒng)模態(tài)的頻率主要受傳動(dòng)軸剛度和差殼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，它們的影響占比隨擋位的變化不大。第四階半軸局部模態(tài)的頻率主要受半軸剛度和半軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，它們的影響占比隨擋位的變化不大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以一款配置手動(dòng)變速箱的前置后驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系車型為例，建立了從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪整個(gè)傳動(dòng)系的詳細(xì)的扭振模型，通過(guò)自由振動(dòng)計(jì)算分析獲得了各擋位工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)階的振型。結(jié)論如下：

1）對(duì)比分析了不同擋位對(duì)傳動(dòng)系扭振模態(tài)頻率的影響，分析發(fā)現(xiàn)，第一階模態(tài)頻率隨擋位升高而增大。第二階模態(tài)頻率隨擋位升高而減小。第三階模態(tài)頻率隨擋位的升高而增大。第四階模態(tài)頻率較穩(wěn)定，不隨擋位的變化而變化。

2）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模態(tài)振型的分析發(fā)現(xiàn)，第一階為系統(tǒng)模態(tài)，振型中幅值較大的部位在飛輪、輸入軸。第二階也為系統(tǒng)模態(tài)，振型中幅值較大的部位在輸入軸、中間軸，且由上面的頻率分析結(jié)果可知，該階模態(tài)對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該階模態(tài)易被激起，可能會(huì)導(dǎo)致Rattle。第三階同樣為系統(tǒng)模態(tài)，振型與第二階相似，在傳動(dòng)軸段有稍許變化。第四階為半軸局部模態(tài)。

3）然后對(duì)同一擋位的模態(tài)特征進(jìn)行了貢獻(xiàn)度分析，從機(jī)理端找出對(duì)特定階模態(tài)頻率影響最大的慣量單元和剛度單元，為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振調(diào)諧提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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