汽车系统动力学动力传动系统的扭振分析
动力传动系统扭转振动的分析及控制
动力传动系统扭转振动的分析及控制任丽丽;施善;刘友波【摘要】随着国内汽车企业对车辆质量要求的升级，噪声振动的控制技术备受重视，来自系统设计相关的噪声振动需要靠实车测试及计算机模拟的配合来解决。
动力传动系统的扭转共振就是一个这样的噪声振动问题，利用系统化步骤解决这个问题的优点是它适用于各种类型的车辆，仿真模拟是解决这个问题的核心技术。
首先根据发动机到车桥整个动力系各单元部件的转动惯量、扭转刚度及阻尼来建振动力学模型，然后分析系统的自然频率、模态及频响，进行数模的开发过程与测试对比，这种方法对车辆性能优化问题非常有效。
%Vehicle NVH control has gained increasing attention of domestic auto makers in an effort to promote vehicle’s quality. To solve the problem, the integrated product testingand simulation modeling are necessary. One example of system NVH problem that can be benefited by this approach is the powertrain torsional vibration. The key technology in this approach is the development of an effective simulation model. First of all, dynamic parameters such as the torsional stiffness, moment of inertia and torsional damping of individual parts are measured or calculated. Then, these parameters are used to simulate the powertrain torsional vibration for its natural frequencies, mode shapes and frequency responses. With this method, the vehicle’s performance can be optimized easily.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P20-25)【关键词】振动与波;扭转振动;动力传动系统;频率;频响;阻尼【作者】任丽丽;施善;刘友波【作者单位】北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206;北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206;北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206【正文语种】中文【中图分类】U467.4+92近年来，随着生活水平的提高，选择车辆时，人们更注重车辆的各种性能，如NVH、操控性、舒适性等。
汽车动力传动系统振动问题及解决方法综述
汽车动力传动系统振动问题及解决方法综述摘要：发动机的动力经过汽车传动系传给驱动轮的同时,也把振动传送给了整个汽车。
汽车的振动和噪声的来源之一是汽车动力传动系。
弯曲振动和扭转振动除了自己的固有振动特性外还存在振动耦合。
弯曲振动、扭转振动及弯-扭振动藕合，影响车辆行驶平顺性，影响乘坐舒适性和缩短零部件使用寿命。
现代汽车正向着速度高、功率大的方向发展,然而，发动机震动幅度的增大是使汽车产生振动的主要原因，因此，探索汽车动力传动系的振动，对改变汽车的振动和噪声具有非常重要的实际意义。
关键词：汽车动力；传动系统振动；解决方法；前言：汽车动力传动系统作为汽车重要的组成部分，其基本功能是将发动机的动力传递给车轮，使汽车能够在一定速度下正常行驶，并努力提高汽车的动力性与经济性。
与此同时，传动系统的振动也是导致整车振动的重要因素。
一、汽车动力传动系统振动的研究现状上世纪六十到八十年代，由于汽车结构向轻量化、大功率发展的需求以及人们对汽车乘坐舒适性和可靠性要求的日益提高，由扭振引起的事故频繁发生，加之相关法规也对汽车室内室外噪声的限制也越来越严格，使得人们对开始对汽车扭振进行全方面的研究。
另外，计算机技术的快速发展和广泛应用，也为扭振在计算方面的研究提供了可能。
近年来，国内学者对动力传动系统扭振特性研究也提出了自己的观点，并尝试着将传统的模态综合分析理论与试验模态分析技术相结合，进一步分析扭振产生的机理以及探讨相应的解决办法。
二、汽车动力传动系统振动问题研究1.对于汽车动力传动系统减振技术的研究，一般可以按照以下几个步骤进行：(1)根据所研究车型的振动问题，以该车型动力传动系统作为研究对象，根据该车型传动系统的特点，确定具体的研究方案，如建模方法和计算仿真方法等。
(2)对所研究车型传动系统的振动问题，在不同的工况下进行特征试验，得到该车型传动系统在振动问题上的各项试验数据以及某些建模所需的相关参数。
(3)对该车型传动系统相关部件进行结构参数和基础数据的测量和计算，并对传动系统进行简化和抽象，建立动力学模型。
汽车系统动力学动力传动系统的扭振分析资料重点
7.1扭振系统的激振源
4.其他因素 轮胎、轮辋、制动盘等旋转部件的不平衡质量以及不平路面的激励均可能引 起传动系统的扭振，若与悬架运动产生的振动耦合，还可能导致传动系统的 自激励振动。
7
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
工程中对轴状或链状特征的结构进行振动分析，如汽车发动机的 曲轴、动力输出轴系等，传递矩阵法是一个行之有效的方法。 传递矩阵法：将有链状或者轴状特点的实际结构，离散成具有集中广义 质量和刚度元素的串联在一起的弹簧－质量的单元链系统。 定义出各单元两端内力和位移为状态向量，通过点传递矩阵表达质量点 左右两边包括惯性状态向量的变化，通过场传递矩阵表达一段无质量轴 左右两端由于变形体弹性性质导致的两端状态变量间的联系，最后形成 一端的状态变量到另一端的传递关系。
解：
N=3，两端自由
M
L 1
M
R 3
0
第一单元只有圆盘J1 ，取 1L 1
L 1L
M
1
01
R 1 0 L 1
M
1
n2 J1
1
M
1
500n2
14
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
进一步求得：
M
R
2
1
n2 J2
1
1
k2
J
2
2n
K2
M
R
1
1
1000n2
1
107 1
1
n2
104
500n2
M
R
3
1
n2 J3
1
1
k2
J
2
3n
K3
M
R
2
1
2 103n2
车辆动力学(6)- 传动系统扭振-发动机激励+自由振动
ri ,1 —— 第 i 缸与第1缸的相位差。
r 2 ,1
x
r i ,1
(M r )2
三、多缸发动机端面矢量图 端面矢量图示例：
已知四冲程六缸发动机发火顺序为：1－5－3－6－2－4
1,5 120 ,1,3 240 ,1,6 360 , 1,2 480 ,1,4 600
M1
M5
2
M 1,3, 2
M 1, 6
M4
1 1 2
M3
M6
r 0.5 ,3.5,6.5
M2
M 5, 2
r 1 ,4,7
M 3, 4
r 1 .5
强 简 谐
M 5, 6 , 4
,4.5,7.5
M 1, 6
2
M1
M4
2.5
M 1,5 ,3 ,6 ,2 ,4
3
M5
M 3,4
0.02054
0.16902
4.023 9
0.117
0.19955
0.4727
23
16.873
24
8 1.1902 0.9419
14 13 0.117
10 8.1788 1.791
11 7.8058
12 2.9715
4.1304
0.096456 0.22263 0.19294 0.28725 0.10281
M 5,2
r 2 ,5,8
M2
M6
M3
r 3 ,6,9
主 简 谐
r 2.5 ,5.5,8.5
四、多缸发动机输出转矩
例如：
多缸发动机激励力矩
第二节 动力传动系统扭转自由振动建模与分析 一、动力传动系统集中质量当量模型
动力传动系统的振动分析
式中，T0为平均转矩；
ω 为发动机曲轴角速度；
k为阶数，对于四冲程发动机，k=0.5,1,1.5……；
马 天 飞
Tk和α k分别为第k阶简谐分量的幅值和初相位。
3
汽
车 系 统 动 力 学
系统的激励源
对于多缸发动机，其激振转矩等于各缸转矩的和。 以四冲程六缸发动机为例，三阶谐量不能相互抵消， 将激发传动系统的扭转振动。 其他低阶谐量的和矢量为零。
马 天 飞
10
固有频率与振型分析
汽
车 系 统 动 力 学
系统频率响应分析
汽车平动质量当量角加速度频率响应特性
固有频率处出现了明显的共振尖峰；
增加各扭转模态的阻尼，可以有效地降低共振幅值。
马 天 飞
11
汽
车 系 统 动 力 学
发动机临界转速
当发动机转矩主谐量的频率与扭振系统固有频率一致 时，系统便发生共振； 引起共振时的发动机转速称为发动机的临界转速。
汽
车 系 统 动 力 学
第七章
动力传动系统的振动分析
马 天 飞
1
汽
车 系 统 动 力 学
第一节
扭转系统的激振源
动力传动系统的扭振模型
马 天 飞
2
汽
车 系 统 动 力 学
系统的激励源
发动机输出的交变力矩是导致整个传动系统产生扭转 振动的主要原因。 单个气缸对曲轴产生的转矩
T T0 Tk sin (kωt αk )
可以求出扭振系统的固有频率和所对应的振型。 该货车四档模态分析结果如表7-2。 振型向量表示的是各自由度同步运动的幅值比。
马 天 飞
9
固有频率与振型分析
汽车传动系统的扭转振动
汽车传动系统的扭转振动作者：王思来源：《环球市场信息导报》2015年第08期车辆是由多个具有振动特性的子系统组成的复杂振动系统，作为车辆噪音和振动主要来源地的动力传动系统的主要振动形式就是扭转振动。
由于发电机组工作的不平稳导致性导致汽车传动系统随着发电机组的工作产生强烈而复杂的扭转振动；汽车传动系统的扭转振动的振动频率与汽车传动系统扭转振动的固定振动频率相同时，会发生传动系统扭转振动与发电机组的共振，这种共振具有高度的耦合性，将会严重影响驾驶员的驾驶安全和驾驶的舒适性。
因此，随着汽车的不断普及，研究汽车传动系统的扭转振动，对减少车辆驾驶过程中产生的噪音和振动和提高驾驶员驾驶的舒适性和安全性具有重要作用。
本文将主要讨论研究汽车传动系统扭转振动的研究模型和研究展望等方面，实现较少汽车驾驶噪音和提高驾驶员驾驶汽车的舒适性和安全性。
汽车传动系统的扭转振动产生的主要原因就是汽车传动轴与万向节之间存在一定的夹角。
当汽车在高转率下行驶时往往会加重汽车传动系统的扭转振动，从而严重影响了汽车的动力传动性和平衡性，同时，当汽车传动系统的扭转振动等于汽车传动系统的固定振动频率时就会产生共振现象，这种共振相对于在高转率下的扭转振动具有更大的危害性，他不仅会使共振荷载达到最大，严重影响到汽车传动系统的使用周期和使用安全，同时，在这种共振作用下，传动系统的振动的扭转振动和驱动系统的振动在垂直振动方向形成耦合，严重影响了驾驶员驾驶的舒适性和安全性。
因此，鉴于汽车传动系统扭转振动的危害，有必要明确汽车传动系统扭转振动的研究方法并不断完善研究方法，在方法的基础上，提出研究汽车传动系统扭转振动的新目标，不断改进研究方法，提高模型建立精度，从而将理论运用与实践之中，减少汽车传动系统扭转振动的危害。
研究方法传动的理论计算分析法是目前汽车动力传动扭转振动特性的主要研究办法。
随着科学技术手段的不断发展，汽车传动系统扭转振动的研究技术和相关数据处理等方面取得了较快的发展，研究模型从简单的三个自由度模型向多个自由度模型的转变，这种研究模型相较于传统的研究模型更加的贴近实际情况，更有利于准确的分析汽车传动系的扭转振动。
车辆动力系统扭振分析与测试
10.16638/ki.1671-7988.2017.08.044车辆动力系统扭振分析与测试李连（重庆车辆检测研究院有限公司，重庆401122）摘要：文章对某前置后驱型微车的动力传动系的扭转振动特性进行研究。
首先根据车辆传动系统的结构特点，利用多体动力学理论对该车传动系统各部件进行等效转化，利用Excite Designer软件建立传动系扭转振动的多体动力学模型，计算分析在不同离合器扭转刚度下的传动系扭振特性和变速箱输入端转速波动情况。
最后通过测量装配不同扭转刚度离合器时车辆噪声振动，对模型计算结果进行了辅助验证。
研究表明，离合器扭转刚度的变化对车辆传动系的扭振影响很大，低扭转刚度的离合器能有效抑制因发动机转速波动引起的传动系统的扭振，并对车辆的NVH性能提升有一定的贡献。
关键词：动力传动系；扭转振动；离合器中图分类号：U467.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)08-130-03Vehicle powertrain torsional vibration analysis and testingLi Lian( Chongqing vehicle test research institute co., LTD, Chongqing 401122 )Abstract: In this paper, it is studied for torsional vibration characteristics of a kind of rear-drive vehicle's powertrain. Firstly, according to the structural characteristics of the vehicle drive system, equivalent transformations of the various components of the vehicle drive system is established through the multi-body dynamics model. Then, the torsional vibration characteristics are analyzed with clutches in driveline with different torsional stiffnesses. At last, NVH tests are carried out to verify the analysis results. The study shows that the clutch torsional stiffness is of important influence on vehicle vibration and noise in a way that low torsional stiffness clutch can effectively isolate the transmission of torsional vibration caused by engine and it would make contribution to the vehicle NVH performance.Keywords: Powertrain; Torsional vibration; ClutchCLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-130-03前言对于前置后驱车型，动力传动系统一般由发动机、离合器、变速器、传动轴、主减速器、半轴等组成，各部件的转动惯量和扭转刚度分布很不均匀，是一个复杂的多自由度扭振系统，由传动系统的扭振引起的车内轰鸣声问题是整车NVH中常见的问题之一。
四轮驱动车辆动力传动系统的扭振分析计算
3. 82e5
3挡
3. 78e - 2
5挡
3. 71e - 2
A6 1 、2 、3 、5 挡 1. 457e - 1 K67 1 、2 、3 、5 挡
A7 1 、2 、3 、5 挡 1. 460 9
K68 1 、2 、3 、5 挡
A8 1 、2 、3 、5 挡 1. 460 9
K59 1 、2 、3 、5 挡
5 计算过程及结果
在建好各挡的计算模型以后 , 利用扭振分析软件 TVSIM 进行了分析计算 , 分别得出了动力传动系统各 挡前 8 阶固有频率和固有振型。需要指出的是 , 固有 频率为零的第一阶振动模态实际上是刚体振动模态 , 即整个动力传动系统发生整体旋转 。这也可以从振型
图上明确看出 。
表 3 给出了 1～5 挡的动力传动系统各阶固有频
摘要 在认真分析车辆动力传动系统共振的危害 、发动机激励特点的基础上 ,针对一四轮驱动特种 车辆动力传动系统 ,利用自主开发的的车辆动力传动系统扭振分析软件扭振 TVSIM 建立了扭振分析模 型 ,完成了固有频率 、固有振型的计算 。进一步分析研究表明 ,该车虽然在某些频段可能存在扭转共振 , 但如果对操作进行一定程度的限制 ,完全能够保5 1. 31e6 3. 82e5 2. 58e4
A7 1. 460 9 K68 A8 1. 460 9 K59 A9 1. 377e - 1 K9 ,10 A10 1. 460 9 K9 ,11 A11 1. 460 9
2. 48e4 1. 04e5 2. 95e4 2. 18e4
关键词 动力传动系统 扭转振动 轮式车
0 引言
众所周知 ,车辆的动力传动系统是由一系列具有 弹性和转动惯量的转动轴 、齿轮和离合器等零部件组 成 。传动系统的前端通常是作为动力输入的发动机 , 中间是具有传递转矩和变速功能的传动系 ,后端则是 车辆的驱动部分 。这些具有弹性和转动惯量的零部件 形成了一个扭转振动系统 ,有着自己的固有振动特性 , 即模态频率 、模态振型和模态阻尼等 。车辆发动机在 运转时 ,各气缸内周期性变化的燃气压力 ,由传动件之 间间隙引起的冲击力以及车辆行驶过程中变化的阻力 等均会作用到动力传动系统 ,引起其产生扭转振动[1] 。 这些扭转振动与理想转动 (各零部件每时每刻均按照 固定传动比旋转) 叠加在一起 ,使动力传动系统各个部 位的瞬时旋转角度 、角速度偏离了设计的传动比关系 。 一般而言 ,对车辆传动系统正常工作造成威胁的主要 是扭转共振 ,即发动机工作时的激励频率落在传动系 统的固有频率附近或与其相重合 。这时动力传动系统 会对发动机的激励产生放大作用 ,导致扭转振幅迅速 增大 ,由此引起的动态应力往往要超出正常工作应力 许多 ,从而大幅降低相关零件的疲劳寿命 ,严重影响到 整个车辆的工作可靠性和使用寿命[2] 。
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1 1/ ki R 得场传递矩阵： M i 1 M M 0 1 i i 1
R
10
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
取其中第i段进行分析：
R和L分别表示所考虑的点或场的右边和左边的状态量。 2)质量Ji的状态量
R i
L i
R M1L M N 0 R 2 MN T21 (n )1L 0
有非0解的条件，其特征方程为： T21 (n ) 0
2
对左端固定，右端自由的多圆盘轴系统，有
R 1L M N 0 R 2 MN T22 (n )M1L 0
有非0解的条件，其特征方程为：
2 T22 (n )0
M1L M 3R 0
第一单元只有圆盘J1 ，取
1L 1
L
14
1 M 1 0 1
L
L
0 1 1 2 2 M 1 n J1 1 M 1 500n
1 1/ ki R M i 1 M M 0 1 i i 1
1 2 M i n J i
R
L
R
2 M i J i 1
R
R
0 1 M i
8
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
多圆盘轴系统的扭振分析：由无质量的轴和有质量的圆盘组成。 如图所示的多轴圆盘轴系：
9
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
取其中第i段进行分析：
R和L分别表示所考虑的点或场的右边和左边的状态量。 1)无质量轴的状态量
R M i 1 iL iL 1 ki
L
M iL M iR 1
R
TN M N
Ti 1TT i i 1
2 2 T11 (n ) T12 (n ) T1 2 2 M 1 T21 (n ) T22 (n ) M 1
L
L
12
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
边界条件：如果两端自由的多圆盘轴系统，有
汽车系统动力学
主讲：胡爱军
1
第七章
7.1扭振系统的激振源
动力传动系统的扭振分析
7.2扭振振动分析的传递矩阵法 7.3扭振系统模型与分析 7.4动力传动系统的减振措施
2
7.1扭振系统的激振源
□车辆动力传动系统，在激励作用下通常会产生弯曲振动和扭转振动。 □传动系统出现强烈的扭振共振，相关部件所受载荷将明显增加。若这种情 况发生在车辆经常使用的范围内将严重影响传动系零件的使用寿命。
J i iR M iR M iL
设圆盘作简谐振动
i e
R
in t
2 则 i n i
1 得点传递关系 2 M i n J i
0 1 M i
L
11
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
综合场传递和点传递矩阵：
j
T0为曲轴平均转矩,ω为曲轴角速度。
4
7.1扭振系统的激振源
4冲程6缸发动机
缸发动机各阶旋转矢量图
5
7.1扭振系统的激振源
2.变速器 变速器的振动特性受系统质量、刚度、阻尼和齿刚度变化的影响。变速器本 身的激振源主要是由齿轮啮合过程中的载荷波动引起的。 3.万向节 万向节系统引起的振动激励可由如图所示，在存在轴向角的情况下，万向节 不能均匀地传递输入和输出，即使输入的角速度恒定，输出角速度也将产生 周期性波动，由此产生的参数化激励振动将可能导致系统共振。
R
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
进一步求得：
1 1 1 1 R R 1 k2 107 2 2 2 500 M M J 2 2 J 1 2 n 1 1000 2 1 n n n 2 n 4 K 10 2
简化的扭转系统模型
3
7.1扭振系统的激振源
1.发动机 内燃机输出的交变力矩是导致整个传动系统产生扭转振动的主要原因。
发动机周期性的激振转矩使传动系统产生受迫振动，从而在传动系统轴段引起 载荷的周期性变化。
单个气缸对曲轴产生的转矩可表示为其平均转矩的傅里叶级数形式：
T T0 T j sin( jt j )
L
R
Ti M i M i 1
状态量的关系可以从第1段的左边递推到第N段的右边，即：
R
1/ ki 1 R 0 1 1/ ki 2 J i n 2 J i 1 1 0 1 M i 1 M i 1 ki
13
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
2 这些特征方程是关于系统固有频率 的代数方程。 n 2 n
代入各段传 递关系，取其中可为任意常数的状态量为单位值，获得另一状态量在 各质量处的相对大小，对应于 即为固有振动模态。 例：求三圆盘扭振系统的固有频率和扭转振动模态。 设J1=500N.cm.s2，J2=1000N.cm.s2， J3=2000N.cm.s2，k2=10000000N.cm/rad， k3=20000000N.cm/rad。 解： N=3，两端自由
6
7.1扭振系统的激振源
4.其他因素 轮胎、轮辋、制动盘等旋转部件的不平衡质量以及不平路面的激励均可能引 起传动系统的扭振，若与悬架运动产生的振动耦合，还可能导致传动系统的 自激励振动。
7
7.2扭振振动分析的传递矩阵法
工程中对轴状或链状特征的结构进行振动分析，如汽车发动机的 曲轴、动力输出轴系等，传递矩阵法是一个行之有效的方法。 传递矩阵法：将有链状或者轴状特点的实际结构，离散成具有集中广义 质量和刚度元素的串联在一起的弹簧－质量的单元链系统。 定义出各单元两端内力和位移为状态向量，通过点传递矩阵表达质量点 左右两边包括惯性状态向量的变化，通过场传递矩阵表达一段无质量轴 左右两端由于变形体弹性性质导致的两端状态变量间的联系，最后形成 一端的状态变量到另一端的传递关系。