汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題及解決方法綜述

嚴(yán)正峰, 尹大樂(lè), 張 農(nóng), 陳 雷

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高,汽車的功能已經(jīng)不僅僅局限于“交通工具”,人們?cè)谫x予汽車更多新功能的同時(shí),對(duì)于乘坐舒適性要求也更加苛刻。汽車的噪音、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise,vibration and harshness,NVH)性能目前已經(jīng)成為人們?cè)u(píng)價(jià)汽車優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo),其中振動(dòng)與噪音是最能夠被乘員直觀感受到的影響乘坐舒適性的因素,而汽車的噪音問(wèn)題又大部分來(lái)自于汽車的振動(dòng)[1]。因此,汽車的振動(dòng)問(wèn)題受到了汽車廠商和用戶的廣泛關(guān)注。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為汽車重要的組成部分,其基本功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪,使汽車能夠在一定速度下正常行駛,并努力提高汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[2]。與此同時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)也是導(dǎo)致整車振動(dòng)的重要因素。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、主減速器、差速器、左右半軸和車輪等部件組成。其中,發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器以及變速器共同構(gòu)成汽車的動(dòng)力總成,為汽車正常工作提供動(dòng)力;傳動(dòng)軸作為高轉(zhuǎn)速、少支撐的旋轉(zhuǎn)體,一般可以分為2段,通過(guò)萬(wàn)向節(jié)相連,能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸在具有角度差的情況下等轉(zhuǎn)速傳動(dòng);主減速器、差速器及左右半軸安裝在驅(qū)動(dòng)橋橋殼內(nèi),實(shí)現(xiàn)減速增矩并將動(dòng)力分配給左右驅(qū)動(dòng)輪。近年來(lái)由于汽車的輕量化及動(dòng)力性能的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量更輕，同時(shí)帶來(lái)了更大的激勵(lì)輸入，雖然燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到了提升,但是相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生更多的扭矩和激勵(lì)輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)[3]。電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最大的區(qū)別之一就是動(dòng)力系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的直接耦合,這種情況雖然可以獲得較好的加速性能,但由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快,容易引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊與振動(dòng),因此電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)縱向抖動(dòng)現(xiàn)象[4-5]。

混合動(dòng)力汽車同時(shí)具有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)2個(gè)動(dòng)力源,能夠通過(guò)更加復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)或共同為汽車提供動(dòng)能,因此其傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題也更加復(fù)雜?？偠灾?汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題存在于任何類型的汽車上,研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)對(duì)于降低整車振動(dòng)、提升乘坐舒適性具有十分重要的意義。

本文總結(jié)了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)現(xiàn)象的形成機(jī)理、表現(xiàn)形式與3種常見(jiàn)類型,介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究進(jìn)展以及傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的一般研究過(guò)程,詳細(xì)分析了傳動(dòng)系統(tǒng)2種動(dòng)力學(xué)模型的建立方法及各自特點(diǎn),最后介紹了扭轉(zhuǎn)減振器對(duì)降低傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的作用,并著重討論了離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器、雙質(zhì)量飛輪以及帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤在總成減振方面的作用。

1 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度機(jī)械系統(tǒng),具有多個(gè)子系統(tǒng)且零部件眾多,同時(shí)零部件的回轉(zhuǎn)中心線并未全部在一個(gè)平面。汽車在行駛過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的波動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸不平衡質(zhì)量、路面的激勵(lì)、離合器的分離和結(jié)合過(guò)程中的沖擊以及齒輪傳動(dòng)嚙合敲擊等都會(huì)引起汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)[6]。因此,汽車傳動(dòng)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多激勵(lì)源導(dǎo)致的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題比較復(fù)雜,解決起來(lái)也更加困難。

按照振動(dòng)位移的類型,傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)一般可以分為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、縱向振動(dòng),以及它們之間相互耦合而產(chǎn)生的彎扭耦合振動(dòng)、扭縱耦合振動(dòng)、彎扭縱耦合振動(dòng)等[7]。其中由發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)波動(dòng)而引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的振動(dòng)形式[8]。傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)在汽車怠速、行駛和制動(dòng)工況下所呈現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題,通常包含離合器的起步顫振、變速箱的齒輪敲擊振動(dòng)以及制動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)等。

離合器的起步顫振現(xiàn)象通常出現(xiàn)在汽車起步過(guò)程中,由于離合器主從動(dòng)部分逐漸接合,汽車傳動(dòng)系中的扭矩出現(xiàn)波動(dòng),導(dǎo)致整車的縱向振動(dòng)[9]。這種整車縱向振動(dòng)現(xiàn)象也被稱為起步抖動(dòng)現(xiàn)象,其振動(dòng)頻率一般在5～20 Hz范圍內(nèi),具體數(shù)值取決于離合器系統(tǒng)和車輛慣性[10]。通過(guò)對(duì)離合器的起步顫振現(xiàn)象的研究,可以將其產(chǎn)生機(jī)理分為自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)2種,由離合器摩擦片在接合過(guò)程中摩擦系數(shù)的負(fù)梯度變化導(dǎo)致的顫振現(xiàn)象為自激振動(dòng)[11];由包含離合器在內(nèi)的機(jī)械部件之間形位偏差引起的傳遞力矩波動(dòng)導(dǎo)致的顫振現(xiàn)象為強(qiáng)迫振動(dòng)[12]。

變速箱的齒輪敲擊振動(dòng)現(xiàn)象一般出現(xiàn)在空載或輕載齒輪上,主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與尺側(cè)間隙的存在而導(dǎo)致的振動(dòng)現(xiàn)象[13]。變速箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性顯著地制約了動(dòng)力總成乃至整車的振動(dòng)特性,特別是在手動(dòng)變速器中,頻繁的負(fù)載變化會(huì)導(dǎo)致“shuffle”和“clonk”的發(fā)生?！皊huffle”是一種衰減的車身縱向振動(dòng),頻率在2～8 Hz之間,是發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))和車輛(平移運(yùn)動(dòng))的耦合運(yùn)動(dòng);“clonk”是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中典型的噪音現(xiàn)象,變速器 “clonk”是指在1 000～3 000 Hz范圍內(nèi)覆蓋寬頻域的高頻噪聲,它由變速器和相關(guān)部件的接觸變化而產(chǎn)生[14]。

制動(dòng)抖動(dòng)是指發(fā)生在不同類型汽車上的由制動(dòng)所引起的強(qiáng)迫振動(dòng),能夠使汽車乘員直觀地感受到汽車地板、制動(dòng)踏板以及方向盤的振動(dòng),嚴(yán)重影響了汽車的乘坐舒適性與駕駛安全性[15-16]。制動(dòng)抖動(dòng)的頻率與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比,相應(yīng)地與汽車的行駛速度也成正比,抖動(dòng)頻率一般不會(huì)高于100 Hz,通常在10～50 Hz之間[17]。研究表明,制動(dòng)抖動(dòng)一般發(fā)生在車輛高速行駛情況下進(jìn)行中等強(qiáng)度到高等強(qiáng)度制動(dòng)時(shí),若制動(dòng)器持續(xù)作用,制動(dòng)抖動(dòng)則會(huì)一直延續(xù)到低速。

綜上可知,動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)頻段主要分布在低頻段,現(xiàn)有常規(guī)減振設(shè)備無(wú)法抑制低頻振動(dòng)。雙質(zhì)量飛輪具有較大的彈簧布置空間,允許使用更低剛度的彈簧,能夠使傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)響應(yīng)頻段,防止產(chǎn)生共振。本文在第5節(jié)中對(duì)雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

由于汽車結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高,汽車在行駛過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越明顯,傳動(dòng)系振動(dòng)所引發(fā)的事故頻繁發(fā)生,促使了人們對(duì)汽車振動(dòng)問(wèn)題的研究。近年來(lái),人們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題有了更深的研究。文獻(xiàn)[18]建立了車輛動(dòng)力傳動(dòng)系的一般扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型,深入分析了耦合剛度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響,并基于遺傳算法構(gòu)造了動(dòng)態(tài)優(yōu)化的理論模型和程序,有效地衰減了系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；文獻(xiàn)[19]以具有超速齒輪的六擋位變速器為研究對(duì)象,以汽車能量利用率和駐車起動(dòng)連續(xù)換擋加速時(shí)間為目標(biāo)函數(shù),建立汽車傳動(dòng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型,并改進(jìn)了NSGA-Ⅱ算法,使其在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題方面更加準(zhǔn)確和高效;文獻(xiàn)[20]建立了行駛工況下汽車傳動(dòng)系的19自由度當(dāng)量系統(tǒng)模型,并對(duì)該模型的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,為了避開發(fā)動(dòng)機(jī)扭振激勵(lì)的轉(zhuǎn)速,又將該模型簡(jiǎn)化合并為具有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、車輪、車身6自由度的模型;文獻(xiàn)[21]建立了前輪驅(qū)動(dòng)汽車傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一維多體數(shù)學(xué)模型,并利用該模型對(duì)飛輪慣量、傳動(dòng)軸剛度和離合器剛度進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了降低傳動(dòng)系統(tǒng)NVH的目的。

對(duì)于離合器起步顫振現(xiàn)象,文獻(xiàn)[22]建立了雙離合變速器車輛起步時(shí)離合器接合顫振的系統(tǒng)分析模型,對(duì)影響離合器顫振的因素進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)離合器顫振與摩擦系數(shù)的負(fù)斜率變化、靜摩擦系數(shù)、系統(tǒng)阻尼、外加油壓和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)有關(guān),為優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)提供了依據(jù);文獻(xiàn)[23-24]為了研究離合器在接合過(guò)程中的摩擦顫振問(wèn)題,建立了4自由度傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,分析了一些關(guān)鍵因素對(duì)離合器顫振的影響,發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的負(fù)梯度變化及接觸界面的壓力波動(dòng)是離合器顫振發(fā)生的主要原因;文獻(xiàn)[25]采用多自由度動(dòng)力學(xué)分析方法,在對(duì)不同摩擦表面溫度下載荷變化對(duì)離合器起步抖動(dòng)影響的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),起步抖動(dòng)幾乎在所有離合器接合條件下普遍存在,但在冷表面溫度下,起步抖動(dòng)更為明顯;文獻(xiàn)[26]為研究發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)離合器顫振的影響,提出了一種具有非線性摩擦轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)的3自由度動(dòng)力學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)當(dāng)曲軸的角速度等于或接近傳動(dòng)系的固有頻率時(shí),離合器顫振現(xiàn)象顯著增強(qiáng),而發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和油壓波動(dòng)對(duì)離合器顫振的影響較小;文獻(xiàn)[27]建立了摩擦離合器接合過(guò)程中傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析模型,通過(guò)研究離合器從動(dòng)盤總成的扭轉(zhuǎn)剛度和波形片的軸向剛度對(duì)起步抖動(dòng)的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大從動(dòng)盤總成扭轉(zhuǎn)剛度、降低波形片軸向剛度能夠有效改善起步抖動(dòng)。

對(duì)于變速器的齒輪敲擊振動(dòng)現(xiàn)象,文獻(xiàn)[28]提出了考慮變速器齒輪副間隙的非線性動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)激勵(lì)頻率、載荷比和阻尼比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)齒輪副穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)增加載荷比或增大摩擦和阻滯力矩來(lái)降低齒輪副的敲擊振動(dòng);文獻(xiàn)[29]以專門設(shè)計(jì)的一臺(tái)2擋位試驗(yàn)變速器為研究對(duì)象,建立了變速器剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)變速器齒輪敲擊振動(dòng)的產(chǎn)生條件進(jìn)行了討論,發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理設(shè)計(jì)齒輪系統(tǒng)參數(shù)可以把敲擊控制在理想范圍內(nèi);文獻(xiàn)[30]建立了傳動(dòng)系統(tǒng)非線性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和車輛縱向平移運(yùn)動(dòng)耦合模型,通過(guò)對(duì)汽車處于1擋加速工況下各非承載齒輪副的敲擊振動(dòng)情況的分析,發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)各擋位齒輪齒側(cè)間隙和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可有效抑制變速器齒輪敲擊振動(dòng);文獻(xiàn)[31-32]為研究怠速工況下變速器齒輪敲擊振動(dòng),提出了一種4自由度傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型,研究了離合器剛度和阻尼對(duì)變速器齒輪敲擊振動(dòng)的影響,發(fā)現(xiàn)齒輪敲擊振動(dòng)隨扭轉(zhuǎn)剛度、離合器滯后阻尼和驅(qū)動(dòng)盤慣性力矩的增加而增大;文獻(xiàn)[33]研究了商用車變速器的離合器參數(shù)與齒輪敲擊振動(dòng)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)離合器預(yù)阻尼的優(yōu)化可以有效降低變速器的振動(dòng);文獻(xiàn)[34]以某款自動(dòng)變速器為研究對(duì)象,對(duì)齒輪敲擊振動(dòng)機(jī)理和斜齒輪修形減振降噪方法展開深入研究,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了齒輪修形方案的可行性,為降低齒輪敲擊振動(dòng)提供了新思路。

文獻(xiàn)[35-36]對(duì)目前最為常用的盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器制動(dòng)抖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、控制策略等進(jìn)行了全面的研究,為降低制動(dòng)抖動(dòng)提供了參考依據(jù);文獻(xiàn)[37]針對(duì)盤式制動(dòng)器系統(tǒng)建立了盤式制動(dòng)器8自由度多點(diǎn)接觸動(dòng)力學(xué)模型,分析了一些關(guān)鍵因素對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響,通過(guò)與單點(diǎn)接觸模型對(duì)比發(fā)現(xiàn),所建立的多點(diǎn)接觸動(dòng)力學(xué)模型在制動(dòng)抖動(dòng)預(yù)測(cè)上具有較高的準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)[38]將制動(dòng)抖動(dòng)分為冷抖動(dòng)和熱抖動(dòng),前者由制動(dòng)表面不均勻造成,后者由制動(dòng)表面反復(fù)制動(dòng)產(chǎn)生的熱斑不均勻造成,并分析了通過(guò)改善懸架系統(tǒng)的模態(tài)特性和改變制動(dòng)盤形狀與制動(dòng)墊材料來(lái)降低制動(dòng)抖動(dòng)2種方法;文獻(xiàn)[39-40]研究了制動(dòng)器制動(dòng)力矩的波動(dòng)向轉(zhuǎn)向盤傳遞的主要途徑,考察了傳遞路徑中各零部件對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的吸收與放大,發(fā)現(xiàn)制動(dòng)抖動(dòng)在傳遞過(guò)程中整體衰減,但是在局部存在放大現(xiàn)象;文獻(xiàn)[41]利用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向盤整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析,并對(duì)轉(zhuǎn)向盤的固定支架進(jìn)行了靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明優(yōu)化轉(zhuǎn)向盤固定支架能夠有效降低制動(dòng)抖動(dòng)引起的方向盤振動(dòng);文獻(xiàn)[42]建立了計(jì)算機(jī)仿真多體動(dòng)力學(xué)模型用以研究制動(dòng)抖動(dòng)向駕駛室的傳遞,建模結(jié)果顯示制動(dòng)抖動(dòng)通過(guò)懸架向汽車地板傳遞,并可通過(guò)對(duì)懸架設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化來(lái)降低制動(dòng)抖動(dòng)的傳遞。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的最新研究方向,主要集中在動(dòng)力減振器、磁流體減振器以及離心擺式控制器方面。動(dòng)力減振器是利用彈性元件和阻尼元件把一個(gè)輔助質(zhì)量聯(lián)系到振動(dòng)系統(tǒng)上的一種減振裝置。磁流體減振器是利用磁流體能夠根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變其黏度和流動(dòng)阻抗的特性,達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼大小的目的。目前，已將磁流變液應(yīng)用到了雙質(zhì)量飛輪中,研究發(fā)現(xiàn),磁流變液雙質(zhì)量飛輪在各個(gè)工況下的傳動(dòng)系扭振的衰減性能都得到改善[43-45]。離心擺式控制器則是在減振器上安裝離心擺,當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí),離心擺左右擺動(dòng),從而達(dá)到破壞共振、衰減振動(dòng)的目的。德國(guó)LuK公司已將這種技術(shù)應(yīng)用到從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器及雙質(zhì)量飛輪上[46-47]。

綜觀國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀可知,關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究,主要還是以仿真計(jì)算為主。另外,測(cè)試、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究,建立的模型自由度越來(lái)越多,輸入系統(tǒng)激勵(lì)因素也越來(lái)越多。因此,所建立的模型更加貼近實(shí)際,準(zhǔn)確率也大幅提高,傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)理論愈發(fā)成熟。然而,國(guó)內(nèi)關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)最新減振技術(shù)的研究尚未有一個(gè)完整的體系。因此,本文針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

3 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題研究

對(duì)于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究,一般可以按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行:

(1) 根據(jù)所研究車型的振動(dòng)問(wèn)題,以該車型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,根據(jù)該車型傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),確定具體的研究方案,如建模方法和計(jì)算仿真方法等。

(2) 對(duì)所研究車型傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題,在不同的工況下進(jìn)行特征試驗(yàn),得到該車型傳動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)問(wèn)題上的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及某些建模所需的相關(guān)參數(shù)。

(3) 對(duì)該車型傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)量和計(jì)算,并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象,建立動(dòng)力學(xué)模型。

(4) 對(duì)所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行各個(gè)工況下的仿真試驗(yàn)分析,并將仿真結(jié)果與特征試驗(yàn)得到的各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較。

(5) 若對(duì)比結(jié)果相差較大,則對(duì)仿真模型及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,直到得到可靠的動(dòng)力學(xué)模型;若對(duì)比結(jié)果相差不大,說(shuō)明仿真模型可靠,則可通過(guò)改變與振動(dòng)問(wèn)題相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),在理論上得到優(yōu)化方案。

(6) 搭建所研究車型的傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),并在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)理論上的優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,若傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題得到了優(yōu)化,則證明該方案是可行的;若無(wú)效,則需要通過(guò)仿真模型重新制定優(yōu)化方案。

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究流程如圖1所示。

對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究大致可以分為特征試驗(yàn)、仿真分析以及驗(yàn)證試驗(yàn)3個(gè)步驟。特征試驗(yàn)主要是為了得到研究車型振動(dòng)現(xiàn)象的特征,并作為參照對(duì)象來(lái)判斷所建立仿真模型的可靠與否;仿真分析通過(guò)建立實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)模型,對(duì)實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過(guò)觀察傳動(dòng)系統(tǒng)模型各變量變化對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題的影響,尋求傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù);驗(yàn)證試驗(yàn)則是按照仿真分析中提出的優(yōu)化方案,在所建立的傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模擬,以驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。通過(guò)以上汽車傳動(dòng)系統(tǒng)減振研究過(guò)程,不僅可以大大縮短對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題的研究時(shí)間,同時(shí)也可以降低研究成本。

圖1 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)研究流程

4 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建模過(guò)程如圖2所示[48]。

圖2 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建模過(guò)程

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有連續(xù)性和復(fù)雜性的多質(zhì)量系統(tǒng),為了能夠準(zhǔn)確地反映傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性并尋求減振方案,就必須對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和抽象,從而建立動(dòng)力學(xué)模型。由于對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化和抽象的方式不同,得到的動(dòng)力學(xué)模型會(huì)有所不同,一般可以分為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、多體動(dòng)力學(xué)模型以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)模型按照相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)原理得到數(shù)學(xué)模型,在數(shù)學(xué)模型中添加相應(yīng)的算法進(jìn)而得到仿真模型。就汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的建模而言,目前采用集中質(zhì)量法建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及采用分布質(zhì)量法建立的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型最為常見(jiàn)。本文主要對(duì)集中質(zhì)量模型和分布質(zhì)量模型進(jìn)行討論。

4.1 集中質(zhì)量模型

采用集中質(zhì)量法,通過(guò)將傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件簡(jiǎn)化為只有慣量沒(méi)有彈性的慣量圓盤、只有彈性沒(méi)有慣量的理想彈簧以及連接在慣量圓盤上的黏性阻尼器,形成“慣量圓盤-理想彈簧-黏性阻尼器”當(dāng)量離散系統(tǒng)模型,稱之為集中質(zhì)量模型。根據(jù)動(dòng)量矩方程及能量守恒原則,系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以采用矩陣的形式[49]表示為:

(1)

集中質(zhì)量模型是在對(duì)汽車傳動(dòng)軸系進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化與降階的基礎(chǔ)上得到的,在簡(jiǎn)化和降階的過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,集中質(zhì)量模型與實(shí)際系統(tǒng)之間必然存在誤差,且這種誤差無(wú)法克服。盡管研究表明這些誤差在實(shí)際建模是允許存在的,然而集中質(zhì)量模型仍不適用于要求得到精確數(shù)值的仿真分析。若要提高集中質(zhì)量模型的精度,可以將軸系分割為更多的集中質(zhì)量,但同時(shí)也將面臨計(jì)算量大這一問(wèn)題[50]。因此,集中質(zhì)量模型常用于復(fù)雜系統(tǒng)的定性研究。

4.2 分布質(zhì)量模型

分布質(zhì)量模型,又被稱為基于連續(xù)系統(tǒng)振動(dòng)理論得到的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,采用分布質(zhì)量法,將軸系看成是一個(gè)具有分布參數(shù)的連續(xù)物理體。傳動(dòng)系統(tǒng)的分布質(zhì)量模型可以表現(xiàn)為偏微分方程的形式[49],即

(2)

其中:ρ為質(zhì)量密度;Ji為面積轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G為剛度模量;φi為扭轉(zhuǎn)角度。

(2)式中自由振動(dòng)的解為:

φi(xi,t)=φi(xi)sin(ωt)

(3)

(4)

其中,Ai、Bi均為常數(shù)。

基于分布質(zhì)量法建立的傳動(dòng)系統(tǒng)分布質(zhì)量模型與實(shí)際情況更加吻合,計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確,可用于要求得到精確數(shù)值的仿真分析。然而,由于其數(shù)學(xué)模型為偏微分方程,更高精度的代價(jià)是更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,對(duì)于簡(jiǎn)單的單軸系統(tǒng)比較實(shí)用,對(duì)于復(fù)雜的多軸系統(tǒng)以及多分支系統(tǒng)的計(jì)算較為復(fù)雜。因此,分布質(zhì)量模型常用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)的定量研究。

5 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)減振器

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的振動(dòng)方式,目前對(duì)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究也主要集中在降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)上。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)在為傳動(dòng)系統(tǒng)提供能量時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品,主要是由燃燒室內(nèi)的氣體壓力變化引起的扭矩脈沖不均勻、曲軸及往復(fù)組件的慣性力以及曲軸的柔性導(dǎo)致的。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)除了會(huì)導(dǎo)致NVH問(wèn)題外,還會(huì)降低傳動(dòng)部件的使用壽命,降低燃油經(jīng)濟(jì)性。傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方法主要包括消振、吸振和隔振等。消振是從源頭上進(jìn)行控制,即消除發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩波動(dòng),雖然是最根本的減振方法,但受條件限制無(wú)法徹底消除振動(dòng);吸振是在振動(dòng)系統(tǒng)上加裝輔助子系統(tǒng),由輔助子系統(tǒng)吸收由振源產(chǎn)生的部分激勵(lì)能量,以減輕分配到主系統(tǒng)上的激勵(lì)能量;隔振則是在振源和振動(dòng)系統(tǒng)之間加裝扭轉(zhuǎn)減振器,依靠扭轉(zhuǎn)減振器彈性元件的變形來(lái)緩沖振源對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)。

隔振是目前應(yīng)用最廣、效果最好的一種減振方法,研究表明,扭轉(zhuǎn)減振器在隔離發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、消耗振動(dòng)能量、降低傳動(dòng)系固有頻率方面效果顯著[51-52]。本文主要對(duì)離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器、雙質(zhì)量飛輪以及帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤進(jìn)行研究。

5.1 離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器

離合器從動(dòng)盤式扭振減振器(clutch torsional damper,CTD)如圖3所示。CTD主要由減振彈簧和減振盤組成,通過(guò)定位銷將減振盤、從動(dòng)盤本體、從動(dòng)盤轂連接為一個(gè)整體,并允許從動(dòng)盤和從動(dòng)盤轂之間有一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),離合器通過(guò)從動(dòng)盤本體將扭矩傳遞給減振彈簧,再由減振彈簧將扭矩傳遞給從動(dòng)盤轂。某單級(jí)剛度CTD的扭轉(zhuǎn)特性如圖4所示。

圖3 離合器從動(dòng)盤式扭振減振器

圖4 某單級(jí)剛度CTD的扭轉(zhuǎn)特性

變速器第1軸與從動(dòng)盤轂通過(guò)花鍵相連,正是因?yàn)闇p振彈簧的作用,降低了變速器第1軸軸段的扭轉(zhuǎn)剛度,改變了系統(tǒng)振型,有效衰減了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅。CTD的隔振效果如圖5所示[53],從圖5可以看出，在高轉(zhuǎn)速下CTD的隔振效果較為明顯,在低轉(zhuǎn)速下隔振效果不理想。

由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化及動(dòng)力性能的提高,更多的扭矩和激勵(lì)輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)。為了緊跟發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展步伐,CTD也在不斷發(fā)展和改進(jìn)。文獻(xiàn)[54]介紹了一種新型三級(jí)剛度CTD的開發(fā)和應(yīng)用,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證這種減振器比傳統(tǒng)的二級(jí)剛度CTD具有更好的減振效果,特別是在小轉(zhuǎn)矩的工況下減振效果尤為明顯;文獻(xiàn)[55]針對(duì)CTD的減振彈簧進(jìn)行了改進(jìn),使減振彈簧的剛度由原來(lái)的單級(jí)剛度變?yōu)?級(jí)剛度,使其能夠隨著路況和負(fù)載的變化而實(shí)現(xiàn)減振彈簧剛度的變化,提高了乘客的乘坐舒適性，同時(shí)也增強(qiáng)了汽車的承載能力和可靠性。

雖然研究人員努力尋找優(yōu)化CTD的方法,但是由于離合器從動(dòng)盤空間的制約,減振器扭轉(zhuǎn)角度小、扭轉(zhuǎn)剛度大、減振效果差的問(wèn)題依然得不到根本解決，導(dǎo)致CTD對(duì)扭振控制的設(shè)計(jì)和改進(jìn)十分困難,隔振能力也已達(dá)到瓶頸,很難再有突破性的發(fā)展。

圖5 CTD隔振效果

5.2 雙質(zhì)量飛輪

雙質(zhì)量飛輪(dual mass flywheel,DMF)如圖6所示,其結(jié)構(gòu)主要由初級(jí)飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、次級(jí)飛輪3個(gè)部分組成。其中啟動(dòng)齒圈與初級(jí)飛輪結(jié)合在一起,安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸端;次級(jí)飛輪和離合器安裝在一起與變速器相連;弧形彈簧安裝在弧形油腔內(nèi),與連接盤、飛輪殼共同組成扭轉(zhuǎn)減振器。DMF的扭矩傳遞路徑為:初級(jí)飛輪-弧形彈簧-連接盤-次級(jí)飛輪。某二級(jí)剛度DMF的扭轉(zhuǎn)特性如圖7所示。

圖6 雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)

圖7 某二級(jí)剛度DMF的扭轉(zhuǎn)特性

DMF將傳統(tǒng)飛輪一分為二,使得扭轉(zhuǎn)減振器兩側(cè)的慣量重新分配,初級(jí)飛輪相比于傳統(tǒng)飛輪質(zhì)量較輕,實(shí)現(xiàn)了曲軸的減載;次級(jí)飛輪與離合器連接為一個(gè)整體,增加了變速器輸入端的質(zhì)量。另外,由于弧形彈簧在飛輪外側(cè)布置,彈簧空間增大,相對(duì)扭轉(zhuǎn)角增大,這就允許使用剛度更小的彈簧。

DMF的隔振效果如圖8所示[53],從圖8可以看出,不管是在低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速下,DFM都表現(xiàn)出了良好的隔振效果。

圖8 DMF的隔振效果

從圖5、圖8可以看出,采用DMF的發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度幅值明顯更大,這主要是由于DMF中初級(jí)飛輪的質(zhì)量小于傳統(tǒng)飛輪,導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的不規(guī)則性增大；CTD在低轉(zhuǎn)速下沒(méi)有實(shí)現(xiàn)顯著的振動(dòng)隔離,相比之下,DMF幾乎能夠在所有轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)隔離,并且隔振效果明顯優(yōu)于CTD。

DMF現(xiàn)已投入使用超過(guò)30 a,無(wú)疑是減小動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)最有力的手段。然而研究人員對(duì)此仍不滿足,為進(jìn)一步擴(kuò)大DMF性能優(yōu)點(diǎn),文獻(xiàn)[56]基于補(bǔ)償原理提出了一種剛度連續(xù)變化的DMF新結(jié)構(gòu),以減輕剛度階躍變化產(chǎn)生的沖擊,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,這種新型DMF能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)大扭矩下的高反轉(zhuǎn)矩,避免剛度突變帶來(lái)的沖擊;文獻(xiàn)[57]將基于自鎖原理的DMF安全保護(hù)裝置設(shè)計(jì)在周向短彈簧DMF中,能夠?qū)崿F(xiàn)在飛輪失效時(shí)使初級(jí)飛輪與次級(jí)飛輪自動(dòng)楔入、自鎖聯(lián)為一體,避免發(fā)生行車事故;文獻(xiàn)[43-45]將磁流變液應(yīng)用到DMF中,根據(jù)磁流變液在磁場(chǎng)作用下的變流作用,設(shè)計(jì)了一套阻尼可調(diào)的半主動(dòng)控制式的磁流變液DMF裝置,通過(guò)研究其在各個(gè)工況下對(duì)傳動(dòng)系扭振的衰減情況,發(fā)現(xiàn)磁流變液DMF在各個(gè)工況下對(duì)傳動(dòng)系扭振的衰減性能都優(yōu)于普通DMF。而離心擺式減振器的引入會(huì)使DMF隔振潛力變得更大[58-60]。DMF具有最佳的振動(dòng)隔離效果,但是其技術(shù)使其比CTD更加昂貴。

5.3 帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤

對(duì)于離心擺式吸振器(centrifugal pendulum vibration absorber,CPVA)的研究早在數(shù)十年前就開始了,最初主要是針對(duì)其吸振原理及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性這2個(gè)方面展開研究[61],直到2008年LuK公司創(chuàng)新性地將CPVA與DMF結(jié)合在一起,CPVA才正式進(jìn)入汽車制造商的視野。離心擺式DMF減振器相比于DMF具有更好的減振效果,然而其制造成本也更高。為了兼顧制造成本與減振效果,LuK公司于2017年將CPVA與離合器從動(dòng)盤相結(jié)合,形成帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤(clutch disc with centrifugal pendulum vibration absorber,CD-CPVA)。

CD-CPVA的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤

CD-CPVA的結(jié)構(gòu)主要由傳統(tǒng)離合器從動(dòng)盤和離心擺式吸振器2個(gè)部分構(gòu)成。CPVA通過(guò)螺栓連接到從動(dòng)盤上,并且在從動(dòng)盤上開有弧形槽,使得離心擺可以在弧形槽內(nèi)擺動(dòng),起到吸振的作用。設(shè)計(jì)CD-CPVA面臨的主要挑戰(zhàn)在于要在離合器從動(dòng)盤有限的空間內(nèi)盡可能多地容納離心擺質(zhì)量,同時(shí)還要使慣量矩的增加達(dá)到最小。經(jīng)過(guò)工程師們的不懈努力,通過(guò)對(duì)CPVA不斷優(yōu)化,LuK公司最終找到了最佳的解決方案,完成了CD-CPVA[47]。實(shí)際測(cè)試顯示,CD-CPVA的減振性能介于CTD和DMF之間,在使用CTD無(wú)法滿足減振需求時(shí),相比于價(jià)格更高的DMF,CD-CPVA是一個(gè)很好的低成本替代方案。

5.4 3種減振器的比較

文獻(xiàn)[62]對(duì)CTD、DMF、CD-CPVA 3種減振器的性能進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖10所示[62]。

從圖10可以看出,由于DMF的初級(jí)飛輪質(zhì)量比傳統(tǒng)飛輪輕,導(dǎo)致安裝DMF的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較低,以至于安裝DMF的發(fā)動(dòng)機(jī)不論是在轉(zhuǎn)速波動(dòng)還是在角加速度上都要高于安裝傳統(tǒng)飛輪的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在隔離振動(dòng)方面,從圖10可以明顯看出DMF效果最好,CTD的隔振效果最差,CD-CPVA介于兩者之間,甚至在高轉(zhuǎn)速下CD-CPVA的隔振效果要優(yōu)于DMF。

為了更加全面地對(duì)3種減振器進(jìn)行評(píng)價(jià),本文從隔振性能、制造成本、抑制噪音、發(fā)動(dòng)機(jī)的不規(guī)則性、6擋最低可行速度、變速器輸入軸慣量等6個(gè)方面進(jìn)行了打分,并繪制了3種減振器的性能評(píng)價(jià)圖,如圖11所示。

圖10 CTD、DMF、CD-CPVA 3種減振器的性能對(duì)比

從圖11可以看出,DMF的綜合性能高于其他2種減速器,然而高性能的代價(jià)是較高的制造成本;CTD雖然在綜合性能上低于其他2種減振器,然而它的制造成本也是最低的;CD-CPVA綜合性能介于其他兩者之間,制造成本也同樣介于兩者之間,因此CD-CPVA兼顧了制造成本與綜合性能,對(duì)各項(xiàng)性能有較高要求而又要考慮制造成本時(shí),CD-CPVA是較好的選擇。

圖11 3種減振器各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)圖

6 結(jié) 論

本文介紹了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),針對(duì)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題,研究了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的原因、振動(dòng)的表現(xiàn)形式及國(guó)內(nèi)外對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的研究現(xiàn)狀,提出了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)減振技術(shù)的一般研究過(guò)程;分析了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立過(guò)程,介紹了建模過(guò)程中常用的動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型,并著重討論了汽車傳動(dòng)系統(tǒng)建模中常用的集中質(zhì)量模型和分布質(zhì)量模型;針對(duì)減振器在降低汽車傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方面的作用,對(duì)離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器、雙質(zhì)量飛輪以及帶離心擺式吸振器的離合器從動(dòng)盤作了重點(diǎn)介紹,并對(duì)3種減振器的綜合性能進(jìn)行了對(duì)比分析。