某商用車變速器抖動問題改進研究

楊年炯1,2,廖奇峰1,石勝文3

(1.廣西科技大學汽車與交通學院,廣西 柳州 545006; 2.廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室(廣西科技大學),廣西 柳州 545006;3.東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545005)

摘要：針對某商用車低速爬坡時出現(xiàn)的變速器抖動的問題,采用振動與噪聲測量儀對問題車進行檢測,通過對試驗數(shù)據(jù)進行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)在車速為15 km·h-1、頻率為7.5 Hz時,變速器z向加速度出現(xiàn)峰值.根據(jù)該頻率初步認定傳動軸振動是產(chǎn)生變速器抖動的主要原因.對傳動軸振源,調整其當量夾角,此外改變變速器支承的形式及布置.試驗結果表明：二者的結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現(xiàn)象,且人主觀感覺良好,證明了該改進方案的正確性和有效性.

關鍵詞：商用車; 變速器; 抖動; 整改

隨著用戶駕乘體驗的不斷增加,人們對汽車品質的要求,特別是對乘坐舒適性的要求不斷提高.汽車企業(yè)針對乘用車的NVH(Noise Vibration Harshness)性能進行了較多研究和提升,近年來商用車的NVH性能也受到越來越多的關注.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、同步器以及傳動機構組成,其構成決定了變速器對整車NVH性能有較大影響[1-2].通過試驗,找到引起變速器振動的振源,從而有針對性地進行整改,是改善變速器NVH性能乃至提升整車NVH品質的有效途徑.

王磊[3]通過對整車結構件的固有頻率進行匹配,優(yōu)化變速器懸置橫梁結構,進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]通過模態(tài)試驗確定了變速器異響的故障位置,然后采用拓撲優(yōu)化的方式對結構進行了移頻優(yōu)化,提高了變速器的NVH性能.黃鼎有等[5]通過改變扭轉減振器的扭轉剛度、摩擦阻尼、預緊力矩及剛度級數(shù)等參數(shù)消除了變速器怠速爬坡時的異響問題,提升了整車NVH性能.

本文針對用戶反映的某商用車爬坡時變速器出現(xiàn)抖動的問題,對該商用車進行了重載工況下的爬坡和平路測試.采用振動與噪聲測量儀對問題車的變速器進行測試,將測得的數(shù)據(jù)進行頻譜分析,確定造成變速器抖動的振源.通過改進變速器輔助支承的結構形式及布置形式,并改變傳動軸當量夾角,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現(xiàn)象,且人主觀感覺良好,證明了該改進方案的正確性和有效性.

1 整車試驗

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

圖1 實車測試
Fig.1 Real vehicle test

將采集到的變速器振動加速度數(shù)據(jù)進行頻譜分析,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,試驗車變速器在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,給駕乘人員帶來不舒適感.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)生機理

該商用車動力裝置的縱向旋轉固有頻率為7.4 Hz,左右旋轉固有頻率為7.3 Hz,試驗測得傳動軸2階振動頻率為7.5 Hz,動力總成縱向旋轉、左右旋轉模態(tài)和激振頻率重合,從而導致動力總成出現(xiàn)共振.該商用車傳動系統(tǒng)中,萬向節(jié)采用的是不等速萬向節(jié),根據(jù)試驗反映出來的現(xiàn)象以及不等速萬向節(jié)的特性,其在一個循環(huán)內被動軸的轉速由大到小,再由小到大變化兩次,相對于1階振動來說,這種擾動為2階振動[6].2階振動大小跟傳動軸夾角及傳遞的扭矩大小有關,初步確定振源為傳動軸.

3 基于輔助支承結構和傳動軸當量夾角改進的變速器振動控制

影響變速器爬坡抖動的原因主要有傳動軸萬向節(jié)的夾角、動力總成懸置軟墊剛度、輔助支承結構形式等.綜合考慮經(jīng)濟性和整改周期,采用改變變速器輔助支承的結構和布置形式,以及采用適當?shù)膫鲃虞S萬向節(jié)當量夾角以降低變速器的振動加速度.因平路工況下變速器并無異常抖動,因此將重載爬坡工況變速器的振動加速度峰值降低到平路工況的振動水平作為改進目標.

3.1 改進輔助支承結構及布置形式

通過更改變速器輔助支承結構形式,使動力傳動總成的固有頻率錯開故障工況下的傳動軸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,采用板簧式支承結構.該方案中,在重載、低速、爬坡工況下,變速器z向振動加速度過大(見圖2).改進方案1,變速器輔助支承結構采用槽鋼式橫梁+垂直布置軟墊,如圖4所示.改進方案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

將改進的變速器輔助支承結構的兩個方案應用到整車上,對整車重新進行路試試驗,采集變速器三向振動加速度,并進行頻譜分析,如圖6，7所示.

由圖可見,方案1可使x向和z向振動加速度顯著減小,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向振動加速度變大,變速器側向晃動較大,因此不宜采用此方案.方案2中,x,y,z三向振動加速度均有所減小,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,比改進前平路工況下的加速度還小(平路工況z向振動加速度為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,變速器仍可以見輕微側向晃動.

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

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

3.2 改變傳動軸當量夾角

由試驗測得傳動軸2階振動頻率為7.5 Hz,該振動頻率與動力總成縱向旋轉、左右旋轉模態(tài)重合,從而引起動力傳動總成共振,因此認為傳動軸2階激勵是引起變速器抖動的重要原因.理論分析和工程實踐均表明,適當減小傳動軸當量夾角可以減小傳動軸的2階振動,因此考慮以下改進方案(表1).

表1 傳動軸夾角改進方案

Tab.1 Improvement Solution of transmission shaft angle

夾角方案a1/(°)a2/(°)a3/(°)當量夾角ae/(°)改進前2.742.762.692.81方案a2.411.512.421.49方案b1.592.712.741.54

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

圖8 傳動軸夾角改進方案a頻譜
Fig.8 Spectrum of transmission shaft angle solution a

由圖可見,傳動軸夾角改進方案a可使變速器3個方向的振動加速度均有明顯減小,其中z向振動加速度由改進前的2.36 m·s-2減小至0.89 m·s-2,接近改進前平路工況下的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到1.78 m·s-2,屬于無法接受的范圍.此外,x向的加速度反而有所增加.因此,該方案不宜采用.相對方案b而言,方案a各指標值均較好,但是z向振動加速度0.89 m·s-2雖然接近改進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 傳動軸夾角改進方案b頻譜
Fig.9 Spectrum of transmission shaft angle solution b

3.3 變速器輔助支承結構和傳動軸夾角綜合改進

前述可見,改進變速器輔助支承結構以及傳動軸夾角對減小變速器抖動均有積極作用,其中改進變速器輔助支承結構的方案2和改進傳動軸夾角的方案a,對減小變速器z向振動加速度尤為顯著,因此,將此兩個方案組合,即把傳動軸當量夾角ae調整為1.49°,輔助支承結構采用槽鋼式橫梁+V型布置軟墊,進行整車重載低速爬坡工況路試試驗,以評估改進的效果.頻譜圖如圖10所示.

圖10 綜合改進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,達到了較好的減振效果.由圖可見,組合方案的實施,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,僅為改進前的9%,也遠小于改進目標值(重載低速平路工況下的0.6 m·s-2),且三向均無明顯峰值,消除了變速器的抖動問題,試驗時人主觀感覺良好.

4 結論

為解決某商用車重載低速爬坡工況下變速器的抖動問題,提高駕乘人員的乘坐舒適性,提出了多個改進方案,并通過對方案的分析與組合,使變速器z向振動加速度顯著減小,提高了此商用車的NVH性能,得到以下結論:

(1) 改變變速器輔助支承結構及布置形式,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) 減小傳動軸的當量夾角,錯開共振頻率,可以減小傳動軸的振動,從而降低變速器的抖動.

(3) 同時改變輔助支承結構形式和傳動軸當量夾角,可顯著降低變速器的z向振動加速度值,消除變速器的抖動現(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)

Abstract：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.

Key words：commercial vehicle; transmission; shaking; improvement

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11502056);廣西高校科研項目資助項目(201202ZD070);廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室自主研究課題資助項目(14-A-03-01);廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室開放課題資助項目(2012KFMS03;2013KFZD02);廣西科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃項目(GKYC201618)

作者簡介：楊年炯(1977-),男,副教授,碩士生導師.Email:nj_yang@163.com

中圖分類號：U 463.212

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5581(2016)04-0347-05