三圓幅值法優(yōu)化某中巴車傳動系動平衡研究

摘" 要：某中巴車在80km/h以上車內(nèi)有明顯的轟鳴和振動，經(jīng)試驗(yàn)測試分析確定為傳動系一階不平衡導(dǎo)致。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，難以對整個傳動系統(tǒng)組件進(jìn)行整體動平衡下線檢測和控制，本文首先對傳動系動平衡技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對三圓動平衡進(jìn)行了理論分析。并采用三圓幅值法在傳動軸和后主減連接位置傳動軸側(cè)對整個傳動系統(tǒng)進(jìn)行了重新動平衡，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化前后駕駛員座椅導(dǎo)軌傳動系一階振動RSS峰值降低了73%，車內(nèi)傳動系一階噪聲峰值由降低了15%，高車速車內(nèi)轟鳴和振動消失，問題得以解決，說明三圓幅值法解決類似工程實(shí)際問題快速有效。

關(guān)鍵詞：傳動系；階次分析；三圓幅值；動平衡；振動

中圖分類號：U463.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0009-07

Study on the Optimization of the Dynamic Balance of the Transmission System of a Medium Bus by the Three-circle Amplitude Method

ZHAO Jian1，2， SONG Yu1，2， WANG Ming-zheng1，2， ZHONG Chong-fa1，2， CHEN Xi1，2

（1. China First Automobile Group Co.， Ltd. Research and Development Institute， Changchun 130022， China；2.National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130022， China）

Abstract： A minibus has obvious roaring and vibration in the vehicle when the speed is more than 80km/h， which is determined to be caused by the first order imbalance of the transmission system through test and analysis. According to the existing technical level， it is difficult to carry out offline detection and control of the overall dynamic balance of the entire transmission system components. First， this paper summarizes the dynamic balance technology of the transmission system， and makes a theoretical analysis of the three circle dynamic balance. The three circle amplitude method is used to re balance the whole transmission system at the transmission shaft and the transmission shaft side at the connection position of the rear main reducer. The test results show that the peak value of the first order vibration RSS of the optimized front and rear driver seat rail transmission system is reduced from 4.12g to 1.12g， and the peak value of the first order noise of the transmission system in the vehicle is reduced from 101dB to 86 dB. The rumble and vibration in the vehicle at high speed disappear， and the problem is solved， It shows that the three circle amplitude method is fast and effective in solving practical problems of similar projects.

Key Words： Drive train; Order analysis; Amplitude of three circles; Unbalance; Vibration

在中巴車發(fā)展的過程中，尤其在高端細(xì)分市場層面市場競爭激烈，不管是用戶還是主機(jī)廠對車輛的NVH（noise、vibrationamp;harshness）性能也越來越重視。傳動系統(tǒng)作為車輛動力傳遞的“大動脈”，也是生產(chǎn)車輛NVH問題的重要激勵源。傳動系統(tǒng)NVH控制的主要難點(diǎn)除了涉及到的零部件較多，還因?yàn)槠洳贾眯问胶筒牧细鳟?，且涉及到大量的非線性原因[1]。汽車傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的NVH問題種類繁多，比如離合器顫振、齒輪嘯叫、變速器嘯叫、傳動系扭振、傳動軸高頻輻射噪聲和傳動系動不平衡導(dǎo)致的傳動系階次振動噪聲等問題，而針對后驅(qū)車或者四驅(qū)車傳動系產(chǎn)生的動平衡問題是常見的市場抱怨NVH問題。

針對傳動系的動不平衡問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作。姚遠(yuǎn)對傳動軸產(chǎn)生不平衡原因進(jìn)行了說明[2]。文獻(xiàn)[3]用建立了標(biāo)準(zhǔn)模型，然后用有限元法計(jì)算并識別出了關(guān)鍵不平衡點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了低速全息平衡法。文獻(xiàn)[5]建立了改進(jìn)全息動平衡法。文獻(xiàn)[6]對現(xiàn)場動平衡技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[7-8]對影響現(xiàn)場動平衡的因素進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的對旋轉(zhuǎn)機(jī)械動平衡原理進(jìn)行了闡述，文獻(xiàn)[10]對轉(zhuǎn)子的振動能反應(yīng)出轉(zhuǎn)子的不平衡量提出了質(zhì)疑，文獻(xiàn)[11]基于影響系數(shù)法進(jìn)行現(xiàn)場動平衡理論對傳動系統(tǒng)不平衡和車內(nèi)傳動系一階轟鳴聲之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，但沒有文獻(xiàn)對三圓幅值法在車輛上的應(yīng)用開展理論和試驗(yàn)研究。

本文對三圓動平衡法進(jìn)行了理論說明和驗(yàn)證，并采用該方法針對某中巴車車內(nèi)轟鳴和振動問題進(jìn)行了傳動系現(xiàn)場動平衡，傳動系現(xiàn)場動平衡后，問題得以解決，為類似車輛市場抱怨問題的解決提供了重要的工程實(shí)踐參考。

1" " 傳動系結(jié)構(gòu)和階次問題

傳動系統(tǒng)是轉(zhuǎn)頻不斷變化的機(jī)械系統(tǒng)，而針對這種系統(tǒng)目前具有比較成熟的分析手段，那就是階次分析。階次分析指的是從周期載荷作用下的系統(tǒng)測量中提取正弦分量的方法。

本文針對的是后驅(qū)中巴乘用車，其基本結(jié)構(gòu)參考模型見圖1。該車型傳動軸為三段式結(jié)構(gòu)共兩個中間支承組成。中間支承通過支架連接到車架上，車架和車身通過襯套連接。

1.1" "傳動系不平衡概念和原因分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械均可能存在動平衡的問題，汽車上最典型的旋轉(zhuǎn)零部件如車輪、風(fēng)扇和傳動系等，在這些產(chǎn)品開發(fā)過程中都需要考慮其動平衡，動平衡不好不僅會極大的降低部件使用壽命和效率，而且嚴(yán)重影響整車NVH性能。不平衡分為靜不平衡、耦合不平衡和動不平衡。這些不平衡均是由于旋轉(zhuǎn)件在旋轉(zhuǎn)軸線上的質(zhì)量分配不均勻所導(dǎo)致的。傳動軸不平衡量引起的離心力計(jì)算公式見（1）：

（1）

F為離心力；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；re為旋轉(zhuǎn)中心的距離；m為不平衡的質(zhì)量；ru為旋轉(zhuǎn)中心與不平衡圓的距離；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不平衡方程示意圖見圖2：

不平衡量為[質(zhì)量]×[距離]，常用的單位是g·cm。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生不平衡的原因主要有：

1、質(zhì)量分布不均勻。

2、軸中心線和安裝中心線平行但不相交或者相交但不平行。

3、軸本身彎曲。

4、軸系各安裝部件之間間隙使軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動偏離了中心。

圖3是質(zhì)量分布不均勻的示意圖。圖4是運(yùn)動間隙累計(jì)導(dǎo)致的動不平衡示意圖。

1.2" "車輛傳動系一階振動噪聲問題

該中巴車在加速和滑行工況下，80km/h以上車內(nèi)有明顯的轟鳴和振動，且和檔位無關(guān)，此問題只和車速正相關(guān)，實(shí)際上，類似問題多發(fā)生在車輛研發(fā)過程中，市場上也存在偶發(fā)現(xiàn)象。為了確認(rèn)問題，按照圖5和圖6布置傳感器和麥克風(fēng)，傳動軸前后中間支承位置、后橋殼和傳動軸連接位置后橋殼凸緣位置布置三向加速度傳感器。車內(nèi)駕駛員外耳、第二排左側(cè)內(nèi)耳和第五排左側(cè)內(nèi)耳布置傳聲器，駕駛員座椅導(dǎo)軌和車內(nèi)底板分別布置三向加速服振動傳感器，為了采集數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車輛加速到130km/h以上滑行到60km/h，采集車速、傳動軸轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的振動噪聲信號。

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測點(diǎn)colormap圖見圖7，可以明顯看出，各測點(diǎn)均有明顯的傳動系一階導(dǎo)致的亮點(diǎn)。結(jié)合主觀評價(jià)，在80km/h以上不可忍受。

2" " 現(xiàn)場動平衡技術(shù)

2.1" "常用現(xiàn)場動平衡方法簡介

轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡理論概念是有明日合彥首先提出來的。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速化和巨大型體化方向的發(fā)展，現(xiàn)場動平衡技術(shù)和理論也獲得了快速的進(jìn)步，變成了旋轉(zhuǎn)機(jī)械研究的一個熱點(diǎn)。傳遞矩陣法和有限元法是計(jì)算轉(zhuǎn)子動力學(xué)的常用的方法。文獻(xiàn)[12]提出了傳遞矩陣法計(jì)算柔性轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)。文獻(xiàn)[13]第一次提出用有限元法模擬分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡。以美國Goodman為代表的學(xué)者提出了將動平衡問題轉(zhuǎn)換為線性方程的影響系數(shù)法。文獻(xiàn)[14]對小阻尼支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提出了無試重的模態(tài)平衡法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[15]提出了用于柔性轉(zhuǎn)子動平衡的全息平衡法。這幾種對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場動平衡的方法都對現(xiàn)場動平衡的技術(shù)發(fā)展和理論創(chuàng)新產(chǎn)生了重大的影響。

三圓幅值法是另一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)現(xiàn)場動平衡的方法，這種方法不需要測量不平衡適量的精確相位角。對于市場上或者研發(fā)過程中汽車整車出現(xiàn)的傳動系不平衡問題，三圓幅值法準(zhǔn)確直觀，快速省時。仍有重要的工程實(shí)踐意義和廣泛的應(yīng)用。

2.2" "三圓幅值法操作步驟

三圓幅值法動平衡操作步驟如下：

步驟1、將需要動平衡的傳動軸平衡面外圓三等分，分別標(biāo)記為A、B、C點(diǎn)，相互夾角為120°，如圖8所示：

步驟2、在各標(biāo)記點(diǎn)位置先后安裝試重塊，用于激起傳動系統(tǒng)一階不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生傳動軸一階振動。鑒于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用30g試重塊，試重塊充分固定在傳動軸上，保證在傳動軸高速旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生脫落。為了試驗(yàn)測試結(jié)果的一致性，采用帶擋減速滑行，車速范圍：130km/h -40km/h，依次完成以下試驗(yàn)內(nèi)容：

a）不加試重塊的傳動軸原狀態(tài)條件下，完成130km/h-40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為R0；

b）A點(diǎn)安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RA；

c）B點(diǎn)安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RB；

d）C點(diǎn)安裝試重塊條件下，完成130km/h- 40km/h滑行，振動（噪聲）峰值處幅值大小為RC。

每組試驗(yàn)測試三組有效數(shù)據(jù)。記錄下傳動軸轉(zhuǎn)速、車速和振動噪聲測點(diǎn)信號。

步驟3、在整個滑行過程中找到振動（噪聲）峰值位置用相同比例做振動向量圖，首先以R0為半徑畫圓，圓心為O，記為0圓；然后把0圓參考圖13三等分，均分點(diǎn)記為A、B、C。然后分別以A為圓心，RA為半徑畫出圓A，圓A和圓B的交點(diǎn)記為AB；以B為圓心RB為半徑畫出圓B，圓B和圓C的交點(diǎn)記為BC；以C為圓心，RC為半徑畫出圓C，圓C和圓A的交點(diǎn)記為CA，做AB，BC、CA三角形的外接圓，圓心O1為見圖9。

步驟4、把圓心O和O1連接到一起，并延長O和O1連接線到圓O，圓O和OO1相交與點(diǎn)P，測量OA和OO1之間的夾角α。平衡位置為P點(diǎn)，平衡重大小按照公式（2）確定。

（2）

2.3" " 三圓幅值法傳動軸現(xiàn)場動平衡解析

傳動軸初始不平衡量及位置未知，將其假設(shè)在傳動軸某截面上，不平衡量為m0，不平衡量位置為距點(diǎn)A逆時針方向弧度φ上，如圖1所示， 則不平衡量在坐標(biāo)x、y軸上的分量大小見方程（3）。

（3）

傳動軸不平衡量m0及φ位置的計(jì)算方法如下：

1）傳動軸以某一工作轉(zhuǎn)速Ω運(yùn)行，測量此時的振動加速度，其中由不平衡量引起的一階振動總值RSS大小為a0，此時存在一個換算系數(shù) k（N/kg2），滿足公式（4）：

（4）

2）在點(diǎn)A位置粘貼不平衡大小為Δm的質(zhì)量塊，傳動軸以工作轉(zhuǎn)速Ω下運(yùn)行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a1，滿足公式（5）：

（5）

3）在點(diǎn)B位置粘貼不平衡大小為Δm的質(zhì)量塊，傳動軸以工作轉(zhuǎn)速Ω下運(yùn)行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a2，滿足公式（6）。

（6）

4）在點(diǎn)C位置粘貼不平衡大小Δm為的質(zhì)量塊，傳動軸以工作轉(zhuǎn)速Ω下運(yùn)行，測得不平衡引起的一階振動總值RSS大小為a3，滿足公式（7）：

（7）

聯(lián)立方程（4）-（7）得不平衡量及相位：

（8）

（9）

（10）

得的傳動軸不平衡量及相位如公式（11）和（12）：

（11）

（12）

3" " 傳動系一階問題優(yōu)化和解決

3.1" "試驗(yàn)分析過程

本次試驗(yàn)在底盤測功機(jī)上開展，采用車帶轂?zāi)Ｊ剑灻鏋闉r青路面。振動傳感器量程為50g，為了試驗(yàn)可靠性，試驗(yàn)之前對車輛進(jìn)行檢查，確保了車輛安全系統(tǒng)、油液、電氣與機(jī)械等系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，輪胎胎壓要求達(dá)到設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)采集與分析參數(shù)設(shè)置如下：

a）分析頻率范圍：10Hz～100Hz。

b）頻率分辨率：1Hz。

c）計(jì)算方式：跟蹤傳動軸轉(zhuǎn)速，并提取傳動軸一階振動分量。

振動信號用公式（13）計(jì)算：

（13）

式中：ax、ay、az分別為整車x、y、z三個方向振動加速度，單位為m/s2。

按照三圓幅值法現(xiàn)場動平衡步驟，測試獲得各測點(diǎn)振動噪聲傳動系一階曲線，經(jīng)對比分析，選取傳動軸3400rpm位置峰值作為基準(zhǔn)點(diǎn)對傳動系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場動平衡，限于篇幅，本文只列舉出后主減殼體振動加速度RSS曲線（圖10）。雖然本中巴車為三段式傳動軸，但根據(jù)傳動軸開發(fā)流程，傳動軸下線四個動平衡位置的剩余動不平衡滿足目標(biāo)，而由于傳動軸最前面等效不平衡面和動力總成連接，而動力總成經(jīng)過發(fā)動機(jī)懸置衰減后，傳遞到車架而后傳遞到車身的振動非常有限。而后主減和傳動軸連接后，該位置的剩余動平衡量無法控制，若后主減輸入端法蘭的剩余動不平衡和傳動軸末端剩余動不平衡量均較大且輕點(diǎn)位置疊加，就會導(dǎo)致更大的剩余動不平衡，傳動軸高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的階次力就會通過后橋和車架傳遞到車身，若和車內(nèi)聲腔模態(tài)發(fā)生耦合共振就會導(dǎo)致車內(nèi)轟鳴和振動。所以選擇傳動軸末端面采用三圓幅值法開展現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)。

按照三圓幅值法理論，峰值處動不平衡，計(jì)算得的平衡重為43g，相位為44°。

3.2" "試驗(yàn)結(jié)果

按照上述三圓幅值動平衡方法對中巴車進(jìn)行試驗(yàn)測試和分析，動平衡前后各測點(diǎn)傳動系一階振動噪聲數(shù)據(jù)見圖11：

從結(jié)果可見，用三圓幅值現(xiàn)場動平衡方法對傳動軸后端進(jìn)行動平衡前后，駕駛員外耳和車內(nèi)二排傳動系一階峰值噪聲均由103dB降低到了90dB，降低了13dB，五排座椅傳動系一階噪聲峰值為101dB降低到了86dB，降低了15dB，駕駛員座椅導(dǎo)軌傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.18g降低到了0.04g，傳動軸前中間支撐傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.31g降低到了0.1g，傳動軸后中間支撐傳動系一階振動加速度RSS峰值由0.32g降低到了0.08g，后主減傳動系一階振動加速度RSS峰值由1.04g降低到了0.24g。經(jīng)評價(jià)原來抱怨的車內(nèi)80km/h以上轟鳴和振動已消失，問題得以解決。

4" " 結(jié)論

1.本文對傳動系不平衡概念和原因進(jìn)行了分析，對現(xiàn)場動平衡方法進(jìn)行了總結(jié)說明，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的簡潔和效率，本文選擇了三圓幅值法對問題車輛進(jìn)行現(xiàn)場動平衡。

2.針對80km/h以上出現(xiàn)的傳動系一階動平衡過大導(dǎo)致的車內(nèi)轟鳴和振動問題，驗(yàn)證了三圓幅值法現(xiàn)場動平衡的有效性和實(shí)用性。

3.經(jīng)過現(xiàn)場動平衡，車內(nèi)傳動系一階噪聲降低了13dB以上，振動降低到了0.3g以下。經(jīng)過評價(jià)，車內(nèi)抱怨的低頻振動噪聲問題得以解決。

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專家推薦語

李少華

東風(fēng)商用車技術(shù)中心動力總成部

傳動系統(tǒng)總工程師" 研究員高級工程師

本文分析總結(jié)了傳動系動平衡技術(shù)。在某中巴車傳動軸和后主減連接位置傳動軸側(cè)對整個傳動系統(tǒng)采用了三圓幅值法重新動平衡分析應(yīng)用實(shí)踐，解決了動不平衡導(dǎo)致的轟鳴和振動問題。三圓幅值法分析傳動系統(tǒng)動平衡有很好的借鑒意義。