某純電動(dòng)商用車(chē)起步異響診斷與改進(jìn)

孔令安, 吳洪亭, 張忠東, 孟國(guó)慶, 位 華

(1.中通客車(chē)股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.山東省新能源客車(chē)安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 聊城 252000)

車(chē)輛在使用過(guò)程中的各種異常噪聲已成為消費(fèi)者購(gòu)車(chē)時(shí)的主要關(guān)注點(diǎn)之一[1]。某款純電動(dòng)輕型商用車(chē)在可靠性試驗(yàn)[2]中發(fā)現(xiàn),該車(chē)在行駛400 km后,車(chē)輛起步階段出現(xiàn)“咯噔咯噔”短暫異響,影響駕乘人員體驗(yàn)。本文針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試分析,對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序[3-4],從而確定最高級(jí)的振動(dòng)點(diǎn),并提出相應(yīng)的解決方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,有效解決了該車(chē)型出現(xiàn)的起步異響問(wèn)題。

1 主觀感受

某車(chē)試驗(yàn)時(shí),主觀感受結(jié)果如下:車(chē)輛起步階段后橋位置發(fā)生異響,表現(xiàn)為短暫“咯噔”聲,發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間駐車(chē)后前進(jìn)或倒車(chē)起步、前進(jìn)制動(dòng)后倒車(chē)起步及倒車(chē)制動(dòng)后前進(jìn)起步工況。前進(jìn)制動(dòng)后前進(jìn)起步、倒車(chē)制動(dòng)后倒車(chē)起步時(shí)無(wú)異響。故懷疑異響與齒輪嚙合面切換相關(guān)。

2 問(wèn)題診斷

本車(chē)異響為短暫異響,無(wú)法從主觀感受和階次、加速度幅值、振動(dòng)頻率等客觀數(shù)據(jù)方面直接確定異響源,因此采用振動(dòng)傳遞優(yōu)先級(jí)排序的方法確定異響源位置。

2.1 振動(dòng)傳遞路徑分析基本理論

在異響源排查過(guò)程中,需要對(duì)各點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序,從而確定最高級(jí)的振動(dòng)點(diǎn)和傳遞路徑。希爾伯特變換法在確定測(cè)點(diǎn)之間的優(yōu)先級(jí)排序上效果較好,因此本文采用此方法來(lái)判斷振源和傳遞路徑,在優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)或部件上著手改進(jìn)[5]。

基于2016年的研究成果[5],對(duì)于連續(xù)時(shí)間實(shí)信號(hào)x(t),其希爾伯特變換H[x(t)]定義為

(1)

對(duì)于實(shí)信號(hào)x(t),經(jīng)希爾伯特變換后為v(t),則定義解析信號(hào)z(t)為

z(t)=x(t)+jv(t)

(2)

對(duì)于解析信號(hào)z(t),其實(shí)部x(t)和虛部v(t)互為希爾伯特變換對(duì):

(3)

(4)

如果設(shè)兩個(gè)信號(hào)之間的傳遞函數(shù)為H(ω)=R(ω)+jI(ω),則它可視為一個(gè)解析信號(hào),其實(shí)部和虛部也應(yīng)互為希爾伯特變換對(duì):

(5)

(6)

本文在分析中借助解析信號(hào)的定義和希爾伯特變換的特點(diǎn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行因果關(guān)系檢查和排序。運(yùn)用優(yōu)先級(jí)排序法的目的在于判斷兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)之間是否存在真實(shí)的傳遞關(guān)系。

兩個(gè)信號(hào)x1(t)和x2(t)可構(gòu)成兩個(gè)傳遞函數(shù)H12(ω)和H21(ω)[6],其中H12(ω)表示x1(t)到x2(t)的傳遞函數(shù),H21(ω)表示x2(t)到x1(t)的傳遞函數(shù)。它們包含實(shí)部和虛部,均可看作一個(gè)解析信號(hào)。假如在某一頻段上H12(ω)的實(shí)部和虛部滿(mǎn)足式(6),則證明在此頻段上x(chóng)1(t)對(duì)x2(t)具有線性影響,即信號(hào)x1(t)優(yōu)先級(jí)高于信號(hào)x2(t),即可理解為信號(hào)從x1(t)傳遞至信號(hào)x2(t)。

以H[R(ω)]表示傳遞函數(shù)實(shí)部R(ω)的希爾伯特變換,其計(jì)算公式為

(7)

假設(shè)H12(ω)為真實(shí)傳遞函數(shù),則:

I12(ω)=H[R12(ω)]

(8)

I21(ω)=-H[R21(ω)]

(9)

基于上述理論,可以得到振動(dòng)優(yōu)先級(jí)排序方法如下:為了能夠快速、直觀地判斷,將公式轉(zhuǎn)換成圖形,以頻率ω為自變量,將傳遞函數(shù)的虛部I(ω)和其實(shí)部的希爾伯特變換H[R(ω)]作為因變量顯示在一張圖像上,觀察兩條曲線的變化趨勢(shì)和貼合程度,可以快速地檢驗(yàn)傳遞函數(shù)的正確性,判斷出振動(dòng)傳遞的優(yōu)先級(jí)。變化趨勢(shì)一致、貼合度高則說(shuō)明傳遞方向正確,變化趨勢(shì)相反、貼合度差則說(shuō)明傳遞方向錯(cuò)誤。

2.2 方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法的可行性,在一條型鋼上分別布置兩個(gè)加速度傳感器,在其中一個(gè)傳感器旁邊進(jìn)行敲擊(如圖1所示),采集并計(jì)算兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的傳遞函數(shù)曲線H12(ω)及H21(ω)。采用上述振動(dòng)優(yōu)先級(jí)排序方法,用式(7)分別計(jì)算實(shí)部的希爾伯特變換H[R12(ω)]及H[R21(ω)],并與對(duì)應(yīng)的虛部I12(ω)及I21(ω)進(jìn)行曲線對(duì)比,如圖2和圖3所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)2傳函變換對(duì)比圖

圖3 測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)1傳函變換對(duì)比圖

圖2中兩條曲線趨勢(shì)相同,說(shuō)明傳遞方向正確,圖3中兩條曲線趨勢(shì)相反,說(shuō)明傳遞方向錯(cuò)誤。依據(jù)振動(dòng)優(yōu)先級(jí)排序方法理論可判定振動(dòng)由測(cè)點(diǎn)1傳至測(cè)點(diǎn)2,與圖1測(cè)試情況的理論判斷一致,說(shuō)明該方法有效。在實(shí)際測(cè)量中,由于隨機(jī)信號(hào)的干擾,兩條曲線不可能完全重合或相反,只需趨勢(shì)大致相同或相反即可。

2.3 實(shí)際問(wèn)題的測(cè)試與計(jì)算

該車(chē)采用的是電機(jī)橫置、直連減速器的布置方式,傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。基于該問(wèn)題現(xiàn)象關(guān)注重點(diǎn)放在減速器與輪端兩處位置,主觀上無(wú)法分辨異響源位置?；贚MS測(cè)試系統(tǒng)[7],采集后輪附近和變速器上的振動(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析找出異響問(wèn)題發(fā)生的具體位置。

主要測(cè)點(diǎn)定為:輪心、主減速器、電機(jī)。取右側(cè)輪心、主減速器和電機(jī)3個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)H(ω),用式(7)分別求得各H(ω)實(shí)部的希爾伯特變換H[R(ω)]并與對(duì)應(yīng)的虛部I(ω)進(jìn)行曲線趨勢(shì)對(duì)比,結(jié)果如圖4～9所示。圖4中兩條曲線趨勢(shì)大致相反,圖5中兩條曲線趨勢(shì)大致相同,可判斷振動(dòng)傳遞優(yōu)先級(jí)排序?yàn)檩喰奈恢酶哂陔姍C(jī)位置。同理,可以判斷振動(dòng)優(yōu)先級(jí)排序?yàn)檩喰奈恢酶哂谥鳒p速器位置,主減速器高于電機(jī)位置。綜上,在優(yōu)先級(jí)排序中,輪心位置的振動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高。

圖4 電機(jī)至輪心傳函變換對(duì)比圖

圖5 輪心至電機(jī)傳函變換對(duì)比圖

圖6 主減速器至輪心傳函變換對(duì)比圖

圖7 輪心至主減速器傳函變換對(duì)比圖

圖8 電機(jī)至主減速器傳函變換對(duì)比圖

圖9 主減速器至電機(jī)傳函變換對(duì)比圖

2.4 結(jié)構(gòu)診斷

考慮到輪心區(qū)域主要為半軸端與輪轂軸配合,因此以半軸和輪轂軸的配合位置作為結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)一步分析。由于半軸與輪轂軸間是靠花鍵傳遞扭矩,花鍵配合必然存在間隙[8-9],車(chē)輛前進(jìn)和后退時(shí)切換嚙合齒面,半軸與輪轂軸間必然存在小范圍的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本車(chē)輪端半軸與輪轂軸連接結(jié)構(gòu)如圖10所示。由于緊固螺栓的軸向拉力,會(huì)造成半軸與輪轂軸存在軸肩位置的直接接觸面及墊片與輪轂軸間的間接接觸面,這兩處位置存在較大靜摩擦力,輪轂軸與半軸間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這與花鍵連接結(jié)構(gòu)存在的齒輪間隙存在矛盾。因此,該半軸與輪轂軸緊固方式存在設(shè)計(jì)缺陷是造成該異響的直接原因。松動(dòng)圖10中緊固螺栓,使墊片與輪轂軸間出現(xiàn)間隙(摩擦力為0),進(jìn)行車(chē)輛起步試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該異響消失,確認(rèn)該異響問(wèn)題確為此設(shè)計(jì)缺陷造成。

圖10 半軸與輪轂軸連接結(jié)構(gòu)示意圖

因此推測(cè)該起步異響起因如下:當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩大于最大靜摩擦力矩時(shí),半軸與輪轂軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),可能是齒輪嚙合面相互敲擊產(chǎn)生異響,也可能是摩擦面應(yīng)力釋放造成異響。為確定異響發(fā)生的具體原因,對(duì)輪端結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸排查。

2.5 問(wèn)題診斷

將問(wèn)題車(chē)輛輪轂軸及半軸進(jìn)行拆卸發(fā)現(xiàn):圖10中的花鍵嚙合位置無(wú)碰撞痕跡;圖10中的墊片與輪轂軸接觸側(cè)表面存在劃痕。基于此可判定該異響是由于半軸與輪轂軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),摩擦面的應(yīng)力釋放造成。

3 改進(jìn)方案及效果

綜上,制定了3個(gè)改進(jìn)方案,可任選其一。

1) 方案一:在半軸與輪轂軸間摩擦面(圖10中的接觸面1)加高分子耐磨墊片,使車(chē)輛起步時(shí)允許半軸與輪轂軸間有小范圍的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2) 方案二:螺栓拉緊墊片增加限位凸臺(tái),保證墊片與輪轂軸原接觸面留有0.5 mm間隙用于相對(duì)運(yùn)動(dòng),如圖11所示。

圖11 輪端固定螺栓墊片優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3) 方案三:延長(zhǎng)半軸花鍵段長(zhǎng)度,將原螺栓固定改為防松螺母[10]固定,如圖12所示。螺母緊固后,敲擊螺母翻邊使其變形后卡入半軸卡槽以起到防松效果。

圖12 改進(jìn)方案三示意圖

將上述3個(gè)方案進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證,3個(gè)方案均可解決問(wèn)題。其中方案一耐久性欠佳,200 km后問(wèn)題復(fù)現(xiàn),拆車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)墊片磨損嚴(yán)重;方案二中螺栓緊固墊片與輪轂軸間存有間隙,導(dǎo)致螺栓有脫落風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)評(píng)審后放棄;方案三雖然需要更改半軸結(jié)構(gòu),但是耐久性及安全性均可滿(mǎn)足需求。故最終確定采用方案三處理該問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某輕型商用車(chē)起步異響的問(wèn)題,本文對(duì)該噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行了排查、分析,基于LMS Test.Lab及西門(mén)子數(shù)據(jù)采集前端對(duì)起步過(guò)程中的車(chē)內(nèi)噪聲及傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試和分析,確定了異響源,通過(guò)設(shè)計(jì)連接件,優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu),解決了該問(wèn)題。