传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断方法研究

摘要

车内轰鸣声一直是多用途（MPV: Multi-Purpose Vehicles）前置后驱型(FR)汽车NVH性能研究中所面临的常见问题，其主观表现为压迫耳膜的感受。主要是由整车车身壁板薄壁结构受激励后在较窄频率范围内辐射出较强的声学能量而引起。对于整车系统而言，汽车在行驶过程中往往受多种激励同时影响，这也使得在整车轰鸣声机理性研究中存在较强的模糊性，进而导致在轰鸣声诊断过程中难以准确判定具体的振动发生源。其中，FR型汽车因其传动系的部件较多，动力传递路径较长，往往在低频段(0～200Hz)存在较为丰富的固有模态，经由发动机不平衡扭振激励地作用，容易引起系统结构共振，扩大不平衡振动量，进而容易诱发整车轰鸣声现象。此现象在市场定位相对低廉的国产MPV车型中显得尤为突出。
　　据此，以扭振引致整车轰鸣声学问题为研究要点，有助于揭示轰鸣声学问题的产生机理。为达到这一研究目标，有针对性的开展对象车型的试验分析工作。结合试验结果，使用CAE分析手段搭建了传动系扭振、悬架抗振、车身结构振动、车内声学响应的沿扭振能量传递路径的完整仿真分析模型。该模型的建立同时也为扭振的治理提供了全面而清晰的仿真思路，摆脱了仅从传动系本体角度评价及改善扭振对整车NVH性能影响的工程应用现状。
　　同时，结合现有NVH工程经验与企业Trouble Shooting治理流程发现现阶段扭振系统的诊断工作往往基于试验或仿真方式进行，凭借已有的经验限值，人工地实现对故障问题点的判定。在此模式下，限值的准确性以及完整性即成为能否快速而有效的判定故障源的先决条件。此外，受限于技术人员的能力差别及经验丰富程度影响，诊断治理周期通常也难以保证。因此，根据现有的工程经验制定出具有可操作性的诊断标准，形成专门的诊断分析流程，并基于此流程制定出入机交互良好、诊断逻辑准确的能满足技术操作人员需求的诊断分析软件便成为现实所需。
　　围绕上述研究要点，进行了如下几方面的研究工作:
　　(1)针对对象车型的传动系布置结构及整车特点，设计并开展了传动系扭振及整车噪声与振动测试试验。测试数据显示，扭振测试数据，悬架与车身连接点振动测试数据及车内声压测点测试数据都在1500r/min附近存在较为明显的峰值，结合主观试验分析初步判定对象车型所表现出的1500r/min附近较为明显的轰鸣声是由传动系扭振引起。
　　(2)基于发动机扭矩能量传递路径，结合当量分析方法、多体动力学分析方法和有限元分析方法搭建完成扭振引致车内轰鸣问题的仿真分析模型。其中，在传动系当量模型的搭建中，重点探讨了传动系当量模型的简化方法，并对仿真模型进行了有效的简化及梳理，避免了刚度、惯量划分过程中的不明确性;在悬架抗振模型的搭建中，参照了实车结构特点，使用线框模型替代缺失的CAD结构，在横向对比多种建模方法之后，提出了更为简化的悬架抗振、消振模型;在整车声学响应模型搭建中，提取了悬架与车身连接点的仿真分析数据作为激励信号，避免了实车测试中悬架连接点力信号较难获取的困境。
　　(3)根据(1)中试验分析结果，对象车型在1500r/min附近的车内轰鸣声是由传动系扭振引起。为清晰的揭示此机理，结合(2)中仿真分析结果发现，主要由气缸周期性气体压力引起的发动机曲轴扭矩波动经由离合器、变速器、传动轴作用之后通过主减速齿轮啮合的作用后以力波动的形式，经轴承与后驱动桥传递到悬架系统，再经悬架系统的抗振、消振作用之后作用于车身连接点，引起车身结构振动，进而引发结构辐射声能形成轰鸣声。该机理的分析覆盖了激励信号转换为声信号的各个环节，为实现轰鸣声治理提供了全面的分析思路及治理手段。
　　(4)根据故障树诊断分析方法特点，提炼出适用于扭振诊断的“改进型故障树”分析模型，通过引入限值实现故障树各层级事件的量化可控。基于诊断逻辑及用户需求，使用python语言，编制完成符合改进型故障树模型诊断方法的诊断分析软件。实现对测试或仿真曲线的导入、显示、诊断并能自动生成对应的诊断分析报告，进而摆脱对人工诊断模式的依赖。
　　(5)基于上述分析研究，结合本课题的工程实践背景，提炼出传动系引致整车NVH问题的诊断、分析、治理技术路线，可用于规范并指导整车及零部件同类型问题的改善。
　　课题创新点:
　　(1)搭建了完整的扭振引致整车轰鸣声现象分析模型，综合考虑了扭矩波动信号传递的各个环节，摆脱了仅从传动系角度分析扭振问题的工程应用现状，同时也为轰鸣声治理提供了更为全面的分析思路。
　　(2)建立了扭振引致整车低频轰鸣问题的改进型故障树分析模型，并对传动系扭振分支进行了重点探讨，探究了各事件对上层事件的影响方式，为解决该类工程问题，提供了更为清晰、具体的整改思路。通过自编诊断分析软件，实现了对改进型故障树诊断方式的“显性”表达，摆脱了对于工程技术人员的过分依赖，有效保证了诊断效率及准确性。同时，结合企业现有Trouble Shooting诊断模式，建立了传动系引致整车NVH问题的诊断分析流程，并为解决同类问题提供了规范化的技术要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究内容及目的

第2章 整车摸底及零部件针对性试验测试

2．1 传动系扭振测试、整车噪声测试

2．1．1 传动系扭振试验

2．1．2 悬架与车身连接点振动及整车噪声测试

2．2 悬架相关零部件测试

2．2．1 减振器试验

2．2．2 弹簧试验

2．2．3 衬套试验

2．3 本章小节

第3章 传动系扭振引致整车噪声CAE分析

3．1 传动系扭振分析内容

3．1．1 扭振研究理论方法

3．1．2 自由振动计算

3．1．3 强迫振动计算

3．2 扭振引致悬架振动分析

3．2．1 建模思路

3．2．2 模型建立

3．2．3 计算结果

3．2．4 误差分析

3．3 传动系扭振引致车内轰鸣声分析

3．3．1 车身CAE模型建立

3．3．2 模态试验与仿真计算结果

3．3．3 车内轰鸣响应CAE分析

3．3．4 扭振引致车内轰鸣声学问题的仿真分析

3．4 本章小节

第4章 FR型微车扭振引致车内轰鸣声的机理分析

4．1 发动机扭矩波动产生机理及传动系抗扭性能分析

4．2 扭振引起悬架与车身连接点振动机理分析

4．3 扭振引致整车轰鸣声现象机理分析

4．4 本章小节

第5章 扭振故障诊断及其软件实现

5．1 传统故障树介绍

5．2 改进型故障树介绍

5．3 扭振问题改进型故障树分析

5．3．1 改进型故障树模型说明

5．3．2 故障树模型小结

5．4 “广义逆推”算法

5．4．1 扭振问题数学模型建立

5．4．2 目标范围求解

5．5 传动系扭振改进型故障树诊断软件实现

5．5．1 软件需求概述

5．5．2 软件结构

5．5．3 软件功能

5．5．4 传动系扭振故障树模型软件操作

5．6 传动系扭振引致车内轰鸣问题的诊断流程

5．7 本章小节

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研参与情况