楊年炯,廖奇峰,石勝文

(1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院,廣西 柳州 545006; 2.廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西科技大學(xué)),廣西 柳州 545006;3.東風(fēng)柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545005)

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某商用車變速器抖動(dòng)問(wèn)題改進(jìn)研究

楊年炯1,2,廖奇峰1,石勝文3

(1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院,廣西 柳州 545006; 2.廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西科技大學(xué)),廣西 柳州 545006;3.東風(fēng)柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545005)

針對(duì)某商用車低速爬坡時(shí)出現(xiàn)的變速器抖動(dòng)的問(wèn)題,采用振動(dòng)與噪聲測(cè)量?jī)x對(duì)問(wèn)題車進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)在車速為15 km·h-1、頻率為7.5 Hz時(shí),變速器z向加速度出現(xiàn)峰值.根據(jù)該頻率初步認(rèn)定傳動(dòng)軸振動(dòng)是產(chǎn)生變速器抖動(dòng)的主要原因.對(duì)傳動(dòng)軸振源,調(diào)整其當(dāng)量夾角,此外改變變速器支承的形式及布置.試驗(yàn)結(jié)果表明：二者的結(jié)合有效地降低了變速器z向加速度值,消除了變速器的抖動(dòng)現(xiàn)象,且人主觀感覺(jué)良好,證明了該改進(jìn)方案的正確性和有效性.

商用車; 變速器; 抖動(dòng); 整改

隨著用戶駕乘體驗(yàn)的不斷增加,人們對(duì)汽車品質(zhì)的要求,特別是對(duì)乘坐舒適性的要求不斷提高.汽車企業(yè)針對(duì)乘用車的NVH(Noise Vibration Harshness)性能進(jìn)行了較多研究和提升,近年來(lái)商用車的NVH性能也受到越來(lái)越多的關(guān)注.變速器是汽車的重要組成部件,商用車變速器通常由多套齒輪、同步器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,其構(gòu)成決定了變速器對(duì)整車NVH性能有較大影響[1-2].通過(guò)試驗(yàn),找到引起變速器振動(dòng)的振源,從而有針對(duì)性地進(jìn)行整改,是改善變速器NVH性能乃至提升整車NVH品質(zhì)的有效途徑.

王磊[3]通過(guò)對(duì)整車結(jié)構(gòu)件的固有頻率進(jìn)行匹配,優(yōu)化變速器懸置橫梁結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變變速器懸置橫梁固有頻率以提升整車 NVH 性能.周廣等[4]通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)確定了變速器異響的故障位置,然后采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了移頻優(yōu)化,提高了變速器的NVH性能.黃鼎有等[5]通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)減振器的扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼、預(yù)緊力矩及剛度級(jí)數(shù)等參數(shù)消除了變速器怠速爬坡時(shí)的異響問(wèn)題,提升了整車NVH性能.

本文針對(duì)用戶反映的某商用車爬坡時(shí)變速器出現(xiàn)抖動(dòng)的問(wèn)題,對(duì)該商用車進(jìn)行了重載工況下的爬坡和平路測(cè)試.采用振動(dòng)與噪聲測(cè)量?jī)x對(duì)問(wèn)題車的變速器進(jìn)行測(cè)試,將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,確定造成變速器抖動(dòng)的振源.通過(guò)改進(jìn)變速器輔助支承的結(jié)構(gòu)形式及布置形式,并改變傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角,變速器z向加速度值得到了有效降低,消除了變速器的抖動(dòng)現(xiàn)象,且人主觀感覺(jué)良好,證明了該改進(jìn)方案的正確性和有效性.

1 整車試驗(yàn)

根據(jù)用戶反映,該商用車在重載、平路工況時(shí)變速器無(wú)異常抖動(dòng),而在重載、車速約為15 km·h-1、爬坡時(shí)變速器出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,影響駕乘人員的舒適性.為了查找引起變速器抖動(dòng)的原因,使用振動(dòng)與噪聲測(cè)試儀,對(duì)整車進(jìn)行重載爬坡工況及重載平路工況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,如圖1所示.

圖1 實(shí)車測(cè)試Fig.1 Real vehicle test

將采集到的變速器振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到重載低速平直路面和坡道上變速器三向加速度頻譜圖.其中,爬坡工況變速器三向加速度頻譜圖如圖2所示.由頻譜圖可以看出,爬坡工況下,車速為15 km·h-1、頻率為7.5HZ時(shí),試驗(yàn)車變速器在z方向加速度az出現(xiàn)峰值,峰值為2.36 m·s-2.該值較大,引起變速器抖動(dòng),給駕乘人員帶來(lái)不舒適感.圖2中，ay為y向加速度，ax為x向加速度.

圖2 重載低速爬坡工況下變速器的三向加速度Fig.2 Three direction accelerations of transmission under heavy load low-speed and climbing conditions

2 故障產(chǎn)生機(jī)理

該商用車動(dòng)力裝置的縱向旋轉(zhuǎn)固有頻率為7.4 Hz,左右旋轉(zhuǎn)固有頻率為7.3 Hz,試驗(yàn)測(cè)得傳動(dòng)軸2階振動(dòng)頻率為7.5 Hz,動(dòng)力總成縱向旋轉(zhuǎn)、左右旋轉(zhuǎn)模態(tài)和激振頻率重合,從而導(dǎo)致動(dòng)力總成出現(xiàn)共振.該商用車傳動(dòng)系統(tǒng)中,萬(wàn)向節(jié)采用的是不等速萬(wàn)向節(jié),根據(jù)試驗(yàn)反映出來(lái)的現(xiàn)象以及不等速萬(wàn)向節(jié)的特性,其在一個(gè)循環(huán)內(nèi)被動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速由大到小,再由小到大變化兩次,相對(duì)于1階振動(dòng)來(lái)說(shuō),這種擾動(dòng)為2階振動(dòng)[6].2階振動(dòng)大小跟傳動(dòng)軸夾角及傳遞的扭矩大小有關(guān),初步確定振源為傳動(dòng)軸.

3 基于輔助支承結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角改進(jìn)的變速器振動(dòng)控制

影響變速器爬坡抖動(dòng)的原因主要有傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)的夾角、動(dòng)力總成懸置軟墊剛度、輔助支承結(jié)構(gòu)形式等.綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和整改周期,采用改變變速器輔助支承的結(jié)構(gòu)和布置形式,以及采用適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)軸萬(wàn)向節(jié)當(dāng)量夾角以降低變速器的振動(dòng)加速度.因平路工況下變速器并無(wú)異常抖動(dòng),因此將重載爬坡工況變速器的振動(dòng)加速度峰值降低到平路工況的振動(dòng)水平作為改進(jìn)目標(biāo).

3.1 改進(jìn)輔助支承結(jié)構(gòu)及布置形式

通過(guò)更改變速器輔助支承結(jié)構(gòu)形式,使動(dòng)力傳動(dòng)總成的固有頻率錯(cuò)開(kāi)故障工況下的傳動(dòng)軸2階激振頻率,以獲得良好的減振效果.變速器輔助支承裝置原方案如圖3所示,采用板簧式支承結(jié)構(gòu).該方案中,在重載、低速、爬坡工況下,變速器z向振動(dòng)加速度過(guò)大(見(jiàn)圖2).改進(jìn)方案1,變速器輔助支承結(jié)構(gòu)采用槽鋼式橫梁+垂直布置軟墊,如圖4所示.改進(jìn)方案2采用槽鋼式橫梁+V型布置軟墊,如圖5所示.

圖3 板簧式橫梁輔助支承Fig.3 Beam suspension of leaf spring type

圖4 槽鋼式橫梁垂直布置輔助支承Fig.4 Channel iron beam suspension by vertical arrangement

圖5 槽鋼式橫梁+V型布置輔助支承Fig.5 Channel iron beam suspension by V arrangement

將改進(jìn)的變速器輔助支承結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方案應(yīng)用到整車上,對(duì)整車重新進(jìn)行路試試驗(yàn),采集變速器三向振動(dòng)加速度,并進(jìn)行頻譜分析,如圖6，7所示.

由圖可見(jiàn),方案1可使x向和z向振動(dòng)加速度顯著減小,其中z向的減小更為明顯,由2.36 m·s-2減小為0.52 m·s-2,但y向振動(dòng)加速度變大,變速器側(cè)向晃動(dòng)較大,因此不宜采用此方案.方案2中,x,y,z三向振動(dòng)加速度均有所減小,x向和z向加速度減小的幅度均較大,其中z向減振最明顯,減小到0.5 m·s-2,比改進(jìn)前平路工況下的加速度還小(平路工況z向振動(dòng)加速度為0.6 m·s-2),屬于可接受的范圍.但是方案2中,y向的減振效果不明顯,變速器仍可以見(jiàn)輕微側(cè)向晃動(dòng).

圖6 輔助支承改進(jìn)方案1的頻譜Fig.6 Spectrum of suspension solution 1

圖7 輔助支承改進(jìn)方案2的頻譜Fig.7 Spectrum of suspension solution 2

3.2 改變傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角

由試驗(yàn)測(cè)得傳動(dòng)軸2階振動(dòng)頻率為7.5 Hz,該振動(dòng)頻率與動(dòng)力總成縱向旋轉(zhuǎn)、左右旋轉(zhuǎn)模態(tài)重合,從而引起動(dòng)力傳動(dòng)總成共振,因此認(rèn)為傳動(dòng)軸2階激勵(lì)是引起變速器抖動(dòng)的重要原因.理論分析和工程實(shí)踐均表明,適當(dāng)減小傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角可以減小傳動(dòng)軸的2階振動(dòng),因此考慮以下改進(jìn)方案(表1).

表1 傳動(dòng)軸夾角改進(jìn)方案

通過(guò)移動(dòng)傳動(dòng)軸中間支承連接支架的孔位,改變傳動(dòng)軸的夾角,從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角αe的變化.按照方案a和方案b調(diào)整傳動(dòng)軸的夾角,并進(jìn)行整車重載低速爬坡工況路試,采集數(shù)據(jù)后,通過(guò)頻譜分析,得到傳動(dòng)軸夾角改進(jìn)后的變速器三向振動(dòng)頻譜圖,如圖8,9所示.

圖8 傳動(dòng)軸夾角改進(jìn)方案a頻譜Fig.8 Spectrum of transmission shaft angle solution a

由圖可見(jiàn),傳動(dòng)軸夾角改進(jìn)方案a可使變速器3個(gè)方向的振動(dòng)加速度均有明顯減小,其中z向振動(dòng)加速度由改進(jìn)前的2.36 m·s-2減小至0.89 m·s-2,接近改進(jìn)前平路工況下的0.6 m·s-2.在方案b中,y向和z向的振動(dòng)加速度有所減小,但減小的幅度不夠大,z向的加速度峰值仍達(dá)到1.78 m·s-2,屬于無(wú)法接受的范圍.此外,x向的加速度反而有所增加.因此,該方案不宜采用.相對(duì)方案b而言,方案a各指標(biāo)值均較好,但是z向振動(dòng)加速度0.89 m·s-2雖然接近改進(jìn)前平路工況下的峰值0.6 m·s-2,卻仍比其大,因此,方案a和方案b均不夠理想.

圖9 傳動(dòng)軸夾角改進(jìn)方案b頻譜Fig.9 Spectrum of transmission shaft angle solution b

3.3 變速器輔助支承結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)軸夾角綜合改進(jìn)

前述可見(jiàn),改進(jìn)變速器輔助支承結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)軸夾角對(duì)減小變速器抖動(dòng)均有積極作用,其中改進(jìn)變速器輔助支承結(jié)構(gòu)的方案2和改進(jìn)傳動(dòng)軸夾角的方案a,對(duì)減小變速器z向振動(dòng)加速度尤為顯著,因此,將此兩個(gè)方案組合,即把傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角ae調(diào)整為1.49°,輔助支承結(jié)構(gòu)采用槽鋼式橫梁+V型布置軟墊,進(jìn)行整車重載低速爬坡工況路試試驗(yàn),以評(píng)估改進(jìn)的效果.頻譜圖如圖10所示.

圖10 綜合改進(jìn)后變速器的三向加速度頻譜Fig.10 Three direction accelerations of transmission after comprehensive Improvement

由此兩方案組合,達(dá)到了較好的減振效果.由圖可見(jiàn),組合方案的實(shí)施,使變速器的三向加速度均有非常顯著的降低,其中x向由改進(jìn)前的0.41 m·s-2降低至0.17 m·s-2,y向由0.47 m·s-2降低至0.13 m·s-2,z向由2.36 m·s-2降低至0.21 m·s-2,僅為改進(jìn)前的9%,也遠(yuǎn)小于改進(jìn)目標(biāo)值(重載低速平路工況下的0.6 m·s-2),且三向均無(wú)明顯峰值,消除了變速器的抖動(dòng)問(wèn)題,試驗(yàn)時(shí)人主觀感覺(jué)良好.

4 結(jié)論

為解決某商用車重載低速爬坡工況下變速器的抖動(dòng)問(wèn)題,提高駕乘人員的乘坐舒適性,提出了多個(gè)改進(jìn)方案,并通過(guò)對(duì)方案的分析與組合,使變速器z向振動(dòng)加速度顯著減小,提高了此商用車的NVH性能,得到以下結(jié)論:

(1) 改變變速器輔助支承結(jié)構(gòu)及布置形式,可以獲得較好的減振效果,其中采用槽鋼式橫梁+V型布置軟墊比槽鋼式橫梁+垂直布置軟墊的減振效果明顯.

(2) 減小傳動(dòng)軸的當(dāng)量夾角,錯(cuò)開(kāi)共振頻率,可以減小傳動(dòng)軸的振動(dòng),從而降低變速器的抖動(dòng).

(3) 同時(shí)改變輔助支承結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角,可顯著降低變速器的z向振動(dòng)加速度值,消除變速器的抖動(dòng)現(xiàn)象.

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Improvement on transmission shaking problem for commercial vehicles

YANG Nian-jiong1,2,LIAO Qi-feng1,SHI Sheng-wen3

(1. School of Automobile and Transportation, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou, 545006;2. Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle technology (GXUST), Liuzhou, 545006;3. Dongfeng Liuzhou Motor CO., LTD. Liuzhou, 545005)

Pertaining to the transmission shaking during low-speed climbing, the problem vehicle is detected by vibration and noise measuring instruments. Through spectrum analysis on testing data, it is found that, when the vehicle speed is 15km/h and the frequency is 7.5Hz, the Z-axle acceleration reaches a peak. According to this frequency, the shaft vibration can be regarded as the major reason for transmission shaking. For shaft vibration source, the equivalent angle is adjusted. In addition, the transmission supporting and layout are changed. In this way, it is indicated from results that the Z-axle acceleration is efficiently reduced to eliminate transmission shaking and improve driving comfort. Therein, the correctness and effectiveness of this approach are proven.

commercial vehicle; transmission; shaking; improvement

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11502056);廣西高?？蒲许?xiàng)目資助項(xiàng)目(201202ZD070);廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(14-A-03-01);廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(2012KFMS03;2013KFZD02);廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(GKYC201618)

楊年炯(1977-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師.Email:nj_yang@163.com

U 463.212

A

1672-5581(2016)04-0347-05