來源：汽車NVH云講堂

1、問題描述

發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲共振由于能放大整車振動(dòng)和噪聲而備受NVH 關(guān)注，大多數(shù)問題在200Hz以下都是以噪聲的形式表現(xiàn)出來盡管某些可觸摸的感覺也存在。除此以外，像后輪驅(qū)動(dòng)車如果在某些不平衡旋轉(zhuǎn)部件共振時(shí)操作就可能遇到過動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)上的問題。對(duì)于6缸或以上的發(fā)動(dòng)機(jī)最頻繁的問題就是扭矩的敏感性和一種叫做呻呤的動(dòng)力總成彎曲共振模式。對(duì)于四缸機(jī)，主要的還是2階內(nèi)力的激勵(lì)，而這種呻呤要少于扭矩敏感度的影響。

2、全面討論

結(jié)構(gòu)或機(jī)械共振一般發(fā)生在這種頻率下，其結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)部特性是在一種平衡的狀態(tài)下引起了較大的振動(dòng)峰值。當(dāng)結(jié)構(gòu)被某一共振頻率激勵(lì)時(shí)，唯一的阻抗就是阻尼特性，但它的作用不大，振動(dòng)結(jié)構(gòu)的這種空間模型叫做“mode shape”。最下面的懸掛系統(tǒng)屬于減震系統(tǒng)，為了起到更好的隔振效果它們的頻率比結(jié)構(gòu)模型的頻率應(yīng)該低很多，這種隔振系統(tǒng)往往涉及到剛性體和結(jié)構(gòu)模型的柔性體，這章主要涉及到動(dòng)力總成的柔性模式。在通常的應(yīng)用中，彎曲就是一種長(zhǎng)長(zhǎng)的，苗條的物體變形，就像發(fā)生在弓箭上被拉回的弦一樣，而在工程術(shù)語中，當(dāng)歐拉-貝努利橫梁理論假設(shè)成立，簡(jiǎn)單的純彎曲就發(fā)生了，這個(gè)理論對(duì)于長(zhǎng)的，苗條的物體當(dāng)彎曲發(fā)生在簡(jiǎn)單平面上時(shí)是有效的。對(duì)于這種特殊的條件，這個(gè)mode shape就可以在任何2維坐標(biāo)中得到描述。在一定程度上，傳統(tǒng)的后輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)就已經(jīng)遇到了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了一個(gè)叫做第一次垂直彎曲模型的術(shù)語。然而，在其他的條件下，3坐標(biāo)模型就涉及到彎曲，扭轉(zhuǎn)，及其他的變形形態(tài)。為了跟上歷史上的用法，這里的動(dòng)力總成彎曲不僅僅指的彎曲，還包括其他所有的模式。在共振頻率下只要很小的激勵(lì)，動(dòng)力總成就會(huì)響應(yīng)它的彎曲模態(tài)。像起動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)附件這些次級(jí)系統(tǒng)的共振響應(yīng)在遇到這個(gè)彎曲模態(tài)時(shí)就會(huì)在低頻和高頻產(chǎn)生彎曲響應(yīng)。在頻率上接近的兩個(gè)模態(tài)產(chǎn)生的響應(yīng)比單個(gè)的模態(tài)產(chǎn)生的響應(yīng)對(duì)NVH有更惡化的影響，解決這個(gè)問題的較為仔細(xì)的程序就是做模態(tài)測(cè)試。

3、后輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成彎曲

后輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，以至于發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)軸，和軸套結(jié)合產(chǎn)生的共振以同步與不同步出現(xiàn)，一個(gè)典型的動(dòng)力總成第一階模態(tài)顯示了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)相互作用的傳動(dòng)軸是微不足道的。真正的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)的共振頻率就是第一階彎曲頻率，系統(tǒng)的共振頻率要低于單個(gè)部件的模態(tài)頻率。如果激勵(lì)足夠大，那么在第一階共振頻率下運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的部件壓力，那么像傳動(dòng)軸引起的這種旋轉(zhuǎn)不平衡或偏心就需要特殊的控制，特別是當(dāng)剛度不夠引起更大的速度偏心、系統(tǒng)共振峰值增加和載荷迅速累積。盡管部件可以設(shè)計(jì)以解決實(shí)際中不平衡或偏心問題，但是為了均勻的壓力而設(shè)計(jì)的鑄造工藝或消除應(yīng)力集中還是需要的。其它的激勵(lì)包括所有的旋轉(zhuǎn)不平衡或偏心機(jī)構(gòu)，萬向結(jié)，不平衡的發(fā)動(dòng)機(jī)力和扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率扭矩反作用，和發(fā)動(dòng)機(jī)附件有關(guān)的階次。其他的在共振條件下運(yùn)行的結(jié)果還有如可觸摸的或可聽到的對(duì)乘客的擾動(dòng)、支架或發(fā)動(dòng)機(jī)附件的疲勞破壞和控制系統(tǒng)的破壞等。

4、前輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成彎曲

當(dāng)今前輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成通常被設(shè)置成帶半軸的發(fā)動(dòng)機(jī)本體，離合器和變速箱總成集合。在前輪驅(qū)動(dòng)車上的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和軸的結(jié)構(gòu)連接消除了鞘釘連接帶來的彼此相互作用的子系統(tǒng)，因?yàn)檫@個(gè)原因，前輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成共振模態(tài)通常比后輪驅(qū)動(dòng)的要高一些。除此之外，像與半軸有關(guān)的較短、較細(xì)的部件也得有較高的模態(tài)。然而，半軸設(shè)計(jì)用花鍵代替滾珠以防松和抗疲勞損壞還有阻止進(jìn)入彎曲系統(tǒng)中的一些懸掛特性。前輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成由于它們的結(jié)構(gòu)緊湊、不對(duì)稱的外形通常產(chǎn)生不止一個(gè)彎曲的模態(tài)，這就是為什么在U-驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中用一個(gè)分動(dòng)箱將驅(qū)動(dòng)橋安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)。一般后輪驅(qū)動(dòng)車的振動(dòng)模態(tài)由他的垂直加速度決定，而前輪驅(qū)動(dòng)就不同，它需要現(xiàn)代模態(tài)分析技術(shù)通過分析及試驗(yàn)來確定它的模態(tài)振型。在設(shè)計(jì)過程中模態(tài)分析是必需的部分，因?yàn)樗梢源_認(rèn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的彎曲目標(biāo)是否合理有效，如果有必要設(shè)計(jì)人員必須研究3維模態(tài)振型以確認(rèn)需要改正優(yōu)化的部分，在圖1中顯示了前輪驅(qū)動(dòng)的彎曲模態(tài)，動(dòng)態(tài)分析更加加強(qiáng)了模態(tài)振型的視覺效果。

5、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)彎曲設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)彎曲共振的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)就是讓最低的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型高于整車最高的頻率發(fā)生。一些特殊的需要在共同設(shè)計(jì)需求里面可以找得到，參考附錄E——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)彎曲與附件共振。設(shè)計(jì)需求還提供了測(cè)試結(jié)果修正以找出試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際共振頻率的差異。除了試驗(yàn)校正外，還應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)彎曲共振需求加上15%的頻率安全余量。擴(kuò)大后出現(xiàn)高于或低于共振頻率的情況是由于響應(yīng)峰值的寬度有限。對(duì)所有的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的彎曲模態(tài)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)由實(shí)際NVH目標(biāo)決定，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在整車上并不是所有的彎曲模態(tài)都會(huì)產(chǎn)生NVH擾動(dòng)，如果模態(tài)不是由很強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)力激勵(lì)產(chǎn)生或者模態(tài)處于整車低響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，那么它對(duì)用戶就可能不會(huì)產(chǎn)生較明顯的擾動(dòng)。對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的4缸機(jī)車垂直彎曲模態(tài)大多會(huì)產(chǎn)生NVH問題，然而對(duì)于某些裝置U型驅(qū)動(dòng)模態(tài)就可能不會(huì)是什么大問題。對(duì)于一輛正在生產(chǎn)中的整車，如果沒有特別明顯的NVH問題出現(xiàn)就沒有必要再增加它的響應(yīng)模態(tài)頻率。但是，在當(dāng)今的技術(shù)范圍內(nèi)我們還沒有辦法對(duì)一種新的整車或動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作早期的判定是否某些特殊的模態(tài)會(huì)出現(xiàn)問題。因此，既然在沒有什么特殊的規(guī)定情況下，減少成本和重量比起結(jié)構(gòu)的提高要容易得多，那么最謹(jǐn)慎的方法就是在每個(gè)case中都達(dá)到我們預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。下面是達(dá)到這些要求的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

5.1 加強(qiáng)筋

對(duì)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋是獲得高硬度值的一種方法，而且還可以減少重量和成本。保持兩個(gè)螺栓連接面的連續(xù)性的最大連續(xù)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度應(yīng)該用到，加強(qiáng)筋應(yīng)該沿著模態(tài)變形最大值區(qū)域和彎曲模態(tài)振型全息成像下邊沿正確的角度布置。發(fā)動(dòng)機(jī)加強(qiáng)筋應(yīng)該和附件匹配的凸臺(tái)混合在一起以提供剛性連接點(diǎn)，在許多情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的加強(qiáng)筋應(yīng)該延伸到鑄件上以增加材料單位質(zhì)量的組合性能。加強(qiáng)筋和斷面的增加還可以使鑄件在加工過程中穩(wěn)定和減少廢料。

5.2 深裙式缸體

在曲軸中心線下部拓展發(fā)動(dòng)機(jī)缸體會(huì)增加與變速箱連接螺栓的跨度，較低的耳朵應(yīng)該盡可能與油底殼上表面一樣高，水平跨度應(yīng)該與飛輪殼的寬度一致。較低的耳朵應(yīng)該固定在油底殼連接螺栓中心線外側(cè)而且在缸體上以較好的角度張開。一個(gè)深裙式缸體油底殼的結(jié)構(gòu)變化對(duì)它本身的結(jié)構(gòu)剛度沒什么影響，但是可以通過較好的鑄造工藝來提高。

5.3 油底殼的結(jié)構(gòu)

連接發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的螺栓跨度可以隨著油底殼的結(jié)構(gòu)改變而增加，這個(gè)改變就是在曲柄中心線下面提供一個(gè)夾緊力，然而這就要求油底殼與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的密封條密封作用相當(dāng)好。

5.4 缸體的后面

用最大可能的螺栓模式和加強(qiáng)筋可以在缸體中的螺栓孔提供一個(gè)統(tǒng)一的壓力場(chǎng)，為了加強(qiáng)變速箱連接螺栓的安裝這種加強(qiáng)筋一定不可去掉，而且連接螺栓應(yīng)該從變速箱一側(cè)安裝在缸體的后面，還應(yīng)該加厚法蘭盤以防止局部變形。

5.5 起動(dòng)機(jī)

起動(dòng)機(jī)應(yīng)該用螺栓安裝在曲柄中心線以上的缸提上，因?yàn)槟莾旱陌l(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，起動(dòng)機(jī)應(yīng)該有支撐體支撐而且還應(yīng)該固定在缸體上，如果起動(dòng)機(jī)必須懸空，那么就得有一個(gè)剛性支架將起動(dòng)機(jī)的電刷尾端一起固定在缸體上，電機(jī)仍然該安裝在缸體上以提供對(duì)變速箱的安裝強(qiáng)度。

5.6 變矩器離合器殼

這個(gè)殼必須和變速箱殼一起鑄造以防止其模態(tài)振型的不一致，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能設(shè)計(jì)成圓錐形?？刂坪筝嗱?qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲較合理的動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)短的、剛性的延展轉(zhuǎn)換器，一個(gè)匹配的萬向結(jié)，一個(gè)較輕的、剛性的傳動(dòng)軸。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)用兩條帶有一個(gè)中心軸承的傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所有的縱向滑動(dòng)都可以在這個(gè)中心軸承中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通常將這個(gè)轉(zhuǎn)換器的尾段移到靠近一階和二階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上。由于這兩根軸短而且硬度高，質(zhì)量較小、旋轉(zhuǎn)不平衡較小因此可以降低一階不平衡力，彎曲系統(tǒng)的柔性質(zhì)量被降低了因此增加了共振頻率。但是，這些優(yōu)點(diǎn)全是建立在其他NVH問題繼續(xù)存在和遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一條傳動(dòng)系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在的一些較輕的材料可以作為這個(gè)雙傳動(dòng)軸的代替品。

6 實(shí)驗(yàn)分析過程

6.1 模態(tài)分析試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲是與高頻振動(dòng)有關(guān)的需要當(dāng)代最好的模態(tài)分析設(shè)備、軟件、及試驗(yàn)流程。像上面提到的，像發(fā)動(dòng)機(jī)附件這樣在我們感興趣的頻率范圍產(chǎn)生共振，就必須包括在模態(tài)振型決定因素里面，像鑄件這樣的基本結(jié)構(gòu)的響應(yīng)必須被確定，響應(yīng)的數(shù)量和分布應(yīng)該遵循下面的論述：能從局部變形區(qū)分基本行為、識(shí)別控制彈性區(qū)間、消除最小節(jié)點(diǎn)響應(yīng)區(qū)。測(cè)試時(shí)自由狀態(tài)、固定設(shè)備和整車的邊界條件是系統(tǒng)錯(cuò)誤的根源，剛性支撐不能用來代替隔振和柔性裝置如懸掛。系統(tǒng)中，在卸載或不旋轉(zhuǎn)條件下，當(dāng)傳遞扭矩但非線性清除響應(yīng)時(shí)滑動(dòng)連接表示了一種靜態(tài)摩擦特性，在加入懸掛質(zhì)量到前輪驅(qū)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)這種滑動(dòng)的阻力就被發(fā)現(xiàn)了，在實(shí)驗(yàn)室人工的加上一些約束到后輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)叉可以得到較高的頻率。

6.2 發(fā)動(dòng)機(jī)遷移率測(cè)試

后輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的彎曲共振基本被它們的發(fā)動(dòng)機(jī)本體、變速箱、離合器、傳動(dòng)軸支配，當(dāng)兩個(gè)部件的連接點(diǎn)上的遷移率統(tǒng)一而且信號(hào)相反，這個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)就發(fā)生共振，遷移率曲線已經(jīng)被用來檢查傳動(dòng)軸、動(dòng)力總成變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。自然的傳動(dòng)軸的滑動(dòng)叉被安裝在變速箱里面作為萬向結(jié)十字軸的響應(yīng)測(cè)試裝置，上面提到的邊界條件和力要小心的使用。懸空的滑動(dòng)叉因?yàn)橛泻艽笥绊懕仨氃O(shè)置一定的尺寸，在沒有過約束和滑動(dòng)表面時(shí)清除除去。為了獲得被一個(gè)不完整花鍵帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)叉運(yùn)動(dòng)真實(shí)情況，方法就是在空間90度范圍內(nèi)用兩個(gè)薄片將這個(gè)叉以某一個(gè)角度鍥入這個(gè)襯套里面。傳動(dòng)軸的遷移率曲線可以通過測(cè)試或計(jì)算機(jī)程序獲得，因?yàn)橐恍┰虼_定，所以這個(gè)流程的預(yù)期目標(biāo)要比實(shí)際的整車路試結(jié)果要高7Hz左右。

6.3 噪聲源識(shí)別

近場(chǎng)噪聲強(qiáng)度的測(cè)試可以用來確定高振動(dòng)幅值的位置，這個(gè)位置可能還會(huì)是空氣噪聲的來源，被懷疑的區(qū)域應(yīng)該通過測(cè)試手段來確認(rèn)噪聲輻射是否很強(qiáng)，加強(qiáng)筋在一定范圍內(nèi)可以使局部的噪聲降低。