机车传动轴振动分析与仿真优化Vibration Analysis of Commercial VehicleDriveline摘要:机车传动轴的振动及噪声直接影响了整车传动的平稳性与乘坐的舒适性,甚至影响到整车的可靠性。
作为商用车制造厂,必须对传动轴的振动情况进行研究并对传动轴系进行合理的布置与设计,从根本上控制产生振动与噪声的因素。
为了尽快解决某车型传动系振动带来的汽车传动轴中间支承横梁开裂的问题,本文应用了国内外的一些研究成果,从理论和试验两方面分析了某重型机车传动系振动的原因和机理,提出解决措施,并对传动系进行了优化设计。
同时,本文还从系统论的观点出发,对传动系振动问题寻求最优解决方案。
关键词:传动轴系振动分析仿真优化Abstract:The NVH of commercial-vehicle driveline directly affects easiness andsafety of the whole vehicle.In order to reduce the vibration and noise,it isnecessary for the vehicle manufacture to research the NVH of driveline and tocarry out rational layout and design to the driveline which is the fundamentalways of all.In this paper,some research results of the domestic and foreign havebeen applied to analyze the vibration of driveline theoretically andexperimentally.Furthermore,the vehicle chassis intermediate mounting crossmember abruption problem due to the vibration of driveline has been resolvedby optimizing the driveline layout.Based on system theory,this thesis givesout the optimal solution to the driveline vibration. Keywords: Vehicle Drive line;Vibration Analysis;Optimization第一章引言1.1课题背景和实际意义机车是一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统,是由多个具有固有振动特性的子系统组成,如车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机曲轴的扭转振动、传动系统的振动等。
这些不同形式的振动及其耦合,是影响汽车行驶平顺性、舒适性的主要原因,要改善汽车的整体性能,就必须对汽车的各个系统的振动特性进行深入研究。
车辆动力传动系的振动可分为弯曲振动和扭转振动,二者不仅有各自的振动特性,而且还存在一定程度的振动耦合,对车辆行驶平顺性、乘坐舒适性及动力传动系零部件使用寿命有着重要影响,因此对车辆动力传动系的整体振动进行深入细致的研究十分必要。
作为汽车传动系统的主要部件,传动轴在汽车行使过程中起着传递运动及转矩的作用。
由于传动轴结构本身的运动学、动力学特点,不可避免地存在振动现象。
传动轴的振动有许多危害,首先会产生噪声,影响汽车舒适性;其次会降低传动效率,产生配合松动,甚至使元件断裂,从而导致事故的发生。
传动轴振动的激励源主要是发动机,当量夹角过大、传动轴自身的不平衡、止口跳动量以及任何形式的旋转不平衡也会引起传动轴的振动。
合理地设计汽车传动轴系对解决汽车的振动和噪声问题是十分重要的,特别是我国汽车工业与发达国家差距还很大,随着我国道路条件的改善和车速的提高,汽车的振动、噪声问题将会越来越突出,是提高产品质量和竞争能力所必须解决的问题。
1.2动力传动系弯曲振动的研究动力传动系的基本功用是产生和传递动力。
在传递动力的同时,当激励频率与动力传动系固有频率相同或相近时,整个系统将发生弯曲共振,称之为动力传动系的弯曲振动。
动力传动系弯曲振动在很宽频率范围内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的弹性振动将会引起车辆结构共振和声学共振。
近年来,随着对乘坐舒适性和汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究已显得十分迫切。
弯曲振动的激励主要为发动机的一、二阶转速、传动轴自身的不平衡、止口跳动量等任何形式的旋转不平衡和不同轴度也是引起弯曲振动的原因。
旋转不平衡和不同轴度可以通过提高加工精度来减小和消除,但弯曲振动的主要激励是客观存在的。
因此,只能通过频率协调的方法,通过调整系统的固有频率,来避免系统的固有频率与激励频率相同或相近,达到减小和消除动力传动系弯曲振动的目的。
1.3 动力传动系弯曲振动的研究动力传动系的基本功用是产生和传递动力。
在传递动力的同时,当激励频率与动力传动系固有频率相同或相近时,整个系统将发生弯曲共振,称之为动力传动系的弯曲振动。
动力传动系弯曲振动在很宽频率范围内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的弹性振动将会引起车辆结构共振和声学共振。
近年来,随着对乘坐舒适性和汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究已显得十分迫切。
弯曲振动的激励主要为发动机的一、二阶转速、传动轴自身的不平衡、止口跳动量等任何形式的旋转不平衡和不同轴度也是引起弯曲振动的原因。
旋转不平衡和不同轴度可以通过提高加工精度来减小和消除,但弯曲振动的主要激励是客观存在的。
因此,只能通过频率协调的方法,通过调整系统的固有频率,来避免系统的固有频率与激励频率相同或相近,达到减小和消除动力传动系弯曲振动的目的。
国内外在此方面进行了大量试验研究和理论研究。
国外对动力传动系弯曲振动的研究起步较早,在理论研究方面取得一定进展,试验研究也较为成熟。
建立由离散的集中质量、弹簧、阻尼器组成的力学模型是对动力传动系弯曲振动特性进行研究分析的一种行之有效的方法。
模态综合法是对动力传动系弯曲振动进行分析的有效方法,其基本思想是将动力传动系分为若干个子系统,在完成对各子系统的模态分析后,建立自由模态的综合方程,再利用平衡条件和约束条件将自由度简化,最后获得一个自由度大为缩减又保持了系统特性的运动方程,即组合系统方程。
应用模态综合法,只需获得动力传动系各个子系统的模态参数,就可以通过计算分析给出整个动力传动系的模态参数,但各个子系统的模态参数还需要通过计算或模态试验获得。
动力传动系扭振特性的试验研究,目前主要采用路试法和转鼓试验法。
路试法是利用负荷拖车或使车辆在坡道上挂上某档缓慢加速到该档的最高车速,通过处理所记录的动力传动系特定轴段的扭矩信号,利用共振原理来识别动力传动系在该档的扭转固有频率。
路试法虽可在真实使用条件下测定动力传动系的扭振特性,但如无负荷拖车,则因发动机负荷较小,激振力矩较弱,动力传动系的扭振响应微弱,不易分析出明显的共振工况。
动力传动系扭转特性的转鼓试验法,是在转鼓试验台上进行动力传动系扭振特性试验,由于加减负荷等试验条件容易控制,因此可以方便地测定不同档位、转速下对应不同强度的稳态响应,较为准确地识别出系统的固有频率。
转鼓试验法的缺点在于,转鼓试验台的固有频率在动力传动系一阶固有频率附近时,会扩大低频区的激振范围,这对研究车轮不平衡对动力传动系扭振的影响是不利的。
第二章十字轴万向节传动十字轴万向节传动以其成本低、可靠性高的特点在商用车上得到普遍应用,但由于它是不等速万向节,在万向节当量夹角不为零的情况下,输出轴的转速总是波动;作用在万向节叉平面内的附加弯矩也是波动的,且可在支承上引起波动的径向力。
2.1 万向节2.1.1万向节的功用万向节传动用于不同轴的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴之间传递扭矩。
它要求能适应转速变化、轴间存在夹角且夹角发生变化、连接长度发生变化的各种工况。
汽车万向节分为普通十字轴万向节、等速万向节、挠性万向节等。
普通十字轴万向节具有结构简单、制造成本低、可靠性高等优点。
基于成本和可靠性考虑,一般商用车都采用普通十字轴万向节传动。
动力传动系的布置形式取决于汽车类型、使用条件及要求、发动机与传动系的结构形式及生产条件等。
对于商用车,国内外一般都采用传统的FR式,即发动机前置、后轮驱动的布置形式,变速器与主减速器之间采用多万向节传动轴传递动力。
通常,商用车变速器和主减速器间距离较远,传动轴的布置形式如图2.1所示,它由万向节、传动轴、中间支承及伸缩花键等组成。
图2.1 万向传动在车上的布置方式传动轴的任务是传递扭矩,在传动轴横断面上,传动轴管的扭转应力为: 4416(DT D d τπ=- (2.1 式中:T -传动轴计算转矩(Nm即扭转应力的分布是外圆最大,芯部逐渐减小至0,因此实心传动轴的材料得不到充分利用。
传递相同扭矩,采用空心轴可以节省材料,减轻重量,并可获得较大刚度。
因此,商用车传动轴一般由壁厚均匀壁薄、管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成。
传动轴转速较高,所以对其平衡度要求也较高。
尽管如此,一定直径和长度的轴,转速提高到某一限度时,仍会因剧烈振动而损坏,此损坏转速称为传动轴的危险转速或临界转速。
单根传动轴的结构形式见图2.2。
图2.2 单根传动轴2.1.2 中间支承结构分析在长轴距汽车上,为了提高传动轴临界转速、避免共振,以及考虑整车总体布置上的需要,常将传动轴分段。
有时,为了提高传动系的弯曲刚度、改善传动系弯曲振动特性、减小振动和噪声,也将传动轴分成两段。
当传动轴分段时,需加设中间支承。
商用车的中间支承通常安装在传动轴横梁上,以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差,以及车辆行驶过程中由于发动机窜动或车架等变形所引起的位移,而其轴承应不受或少受由此产生的附加载荷。
目前广泛采用的橡胶弹性中间支承,其结构中采用单列滚珠轴承。
橡胶弹性元件能吸收传动轴的振动、降低噪声。
这种弹性中间支承不能传递轴向力,它主要承受传动轴不平衡、偏心等因素引起的径向力,以及万向节上的附加弯矩所引起的径向力。
当这些周期性变化的作用力的频率等于弹性中间支承的固有频率时,便发生共振。
2.2传动轴的动力学分析2.2.1单十字轴万向节的运动学分析商用车一般均采用普通十字轴万向节。
当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α时,主动轴的角速度1ω与从动轴的角速度2ω之间存在如下关系:12221cos 1sin cos ωαωαϕ=- (2.2 式中,1ϕ为主动轴转角,定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。