汽车动力总成弯曲振动实验模态分析中的非线性特性_高云凯

DOI:10.13229/ k i.jd xb gxb1996.04.002

1996年吉　林　工　业　大　学　学　报Vol.26第4期JOU RN AL O F JILIN UNIV ERSI TY O F T EC H N OLOGY总第84期

汽车动力总成弯曲振动实验模态

分析中的非线性特性*

高云凯　吕振华　李卓森

(汽车工程学院)

摘　要　在台架及整车条件下,对动力总成弯曲振动实验模态分析中的非线性

特性进行研究表明,这一非线性特性仅存在于整车条件下的分析。首次提出对于

具体型式的汽车在整车条件下的动力总成弯曲振动实验模态分析,应给出在该

车动力总成可能的横向激励范围内其关注的弯曲振动模态频率的曲线图表,才

是比较完全的。

关键词　动力总成弯曲振动　实验模态分析　非线性特性

文献〔1〕述及了汽车动力总成弯曲振动分析的意义,并对一般问题进行了研究。以前在进行汽车动力传动系弯曲振动的实验模态分析时,多是采用动圈式电磁激振器进行激振的。其缺点是激振力较小,一般小于100N,达不到发动机曲轴飞轮组等的不平衡惯性力的量级〔2〕。一些研究者在试图使激振力幅值达到实际激励水平的实验模态分析中发现,汽车动力总成弯曲振动参数表现出一定的非线性特性,即其固有振动频率随激振力幅值(亦即振动响应)的增大而减小。显然,对于这种存在弹性非线性的结构系统的实验模态分析,为了识别出准确的模态参数,激振力应达到系统工作时所受实际激励的量级,这就需要采用可产生较大激振力的激振系统。由于以前国内这类大力高频的激振设备较少,所以有关的研究不深入。本文首先应用高频电液伺服激振系统对国产的某轻型客车动力总成在台架上测得的弯曲振动固有频率与激振力幅值(已达到实际工作时的激励水平)的关系进行实验分析,而后对该动力总成在整车条件下测得的弯曲振动固有频率与动力总成各主要旋转件的不平衡质量产生的离心惯性力(达到了实车工作的水平)大小的关系进行实际运行分析。

1　台架上动力总成弯曲振动的非线性特性实验分析

本实验的研究对象为国产的某轻型客车的动力总成(包括发动机、离合器和变速器),

收稿日期:1996-03-07

*国家自然科学基金资助项目

实验是在吉林工业大学车辆测试中心振动强度测试部进行的。动力总成由弹性元件支承,安装方式与在车架上的实际安装情况相同。高频电液伺服激振作动器的活塞杆通过一个短双头螺柱联接于动力总成激振点上,底座则被固定。图1为对动力总成进行垂直方向激振实验的系统简图。结构振动响应信号为在整个动力总成表面上选定的17个测点的加速度信号。

图1　动力总成垂直方向激振实验系统及加速度信号测点

Fig.1　Ex citing ex pe rimental system and a ccelera tio n data measuring points

o f po w erpla nt in v er tical directio n

动力总成弯曲振动的主要激励为发动机工作时曲轴飞轮组的不平衡质量产生的离心惯性力。该客车发动机曲轴飞轮组的不平衡质量(主要存在于飞轮处,与本实验激振位置相近)的设计容限值为70g·cm。实际调查表明,国产汽车动力传动系各主要旋转件的实际不平衡质量在汽车批量生产时大多超过其设计容限值,一般是设计容限值的5倍左右,最多可达10倍〔3,4〕。以初步确定的引起该轻型客车离合器壳开裂的动力总成垂直方向第一阶弯曲振动的模态频率(约为61.10Hz)计算,该车各主要不平衡质量水平下的相当离心惯性激振力见表1。其中最小值(对应该发动机曲轴飞轮组不平衡质量的设计容限值)也大于一般电动激振器所能提供的最大激振力幅值(约100N)。以该动力总成常见的实际不平衡质量的相当离心惯性激振力(分别取300N和600N)进行弯曲振动激振实验,表2给出了该车动力总成垂直方向第一阶弯曲振动模态频率在各激振力幅值下的实验结果。可见,随着激振力幅值的增加,得的动力总成弯曲振动固有频率略有降低,即对于动力总成弯曲振动特性的台架激振实验,这一非线性影响很小,可以忽略。在台架激振实验条件下测得的汽车动力总成低阶弯曲振动模态参数与汽车整车条件下测得的有一定差异,而引起汽车离合器壳开裂的正是汽车运行情况下的动力总成低阶弯曲共振工况。

表1　动力总成各不平衡质量的相当激振力 表2　垂向弹性一阶弯曲固有振频变化

T able1　Relativ e exciting fo rces fr om

po w erpla nt unbala nce mases

不平衡质量(g·cm)70350700离心激振力(N)103.17515.851031.7Table2　Chang e o f elastic lst bending na tural fr equency in v e rtical dir ection 激振力幅(N)300600

固有振频(Hz)61.1059.42

2　整车条件下动力总成弯曲振动的非线性特性实验分析整车实验是在吉林明城军用飞机场进行的。4个加速度传感器中的3个竖直方向布

置在动力总成纵剖面上。由于实验时发动机温度较高,故发动机上没有粘接加速度传感器。加速度传感器在动力总成上的布置如图2所示。在离合器壳上布置了3个应变花。考虑该车离合器壳的实际破坏方向,它们的布置方位如图3所示。

○,□——侧向及垂向布置的加速度传感器 ——动力总成悬置

图2　整车路试动力总成上加速度计布置 图3　整车路试离合器壳上应变片布置Fig.2　Accelera tio n senso r a rr angement o n Fig.3　Str ain guag e ar rangem ent o n clutch po w erlant in v ehicle r oad test housing in v ehicle roa d test

实验时,使汽车进入直接档最小稳定车速(18km/h,折合发动机转动频率约11Hz)后,进入加速跑道进行均匀慢加速,并开始记录,达到该车最高车速(110km/h,相当发动机转速4273.4r/min)时停止记录。实验工况包括实车正常状态及分别在动力总成主要旋转件上加不同量级的不平衡质量的状态下运行。考虑实际加载的可行性,分别在第一万向节处追加100g·cm和200g·cm的不平衡质量。全部信号以磁带机记录并回放到CF500C频谱分析仪上较准确地处理自功率谱曲线。图4和图5分别是汽车正常状态下运行时加速度和应变响应信号的自功率谱。可见,图4中的频率为71.75Hz的加速度响应功率峰与图5中频率为66.00Hz的应变响应功率峰相对应。这一模态下,加速度响应

图4　动力总成路试加速度响应的自功率谱 图5　动力总成路试应变响应的自功率谱

Fig.4　Self pow er spectr um o f po w erpla nt Fig.5　Self po we r spect rum of pow er plant accelera tio n r espo nse in road test strain response in ro ad test

信号功率大,而且应变响应信号功率集中。对照文献〔1〕的该动力总成振动特性分析结果可知,其固有频率值高于文献〔1〕的动力总成在台架激振条件下的结果,这首先是动力总成弯曲振动实验模态分析中的非线性影响所造成的,另外与该车动力总成抗弯刚度实际制造偏高也有关。整车条件下道路实验时动力总成垂直方向第一阶弯曲振动模态频率与在第一万向节处追加的不平衡质量的关系如表3所示。其中,正常条件下的实车传动轴的