4TorsionalVibrations解析.docx

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4TorsionalVibrations解析

TorsionalVibrationsintheDriveTrainofMotorVehiclesPrincipleConsiderations

Dr.-lng.WolfgangReik

Todaymoreandmoreattentionisbeingpaidtotorsionaldrivelinevibrations.Foronething,modernautomotivedesignisproducingstrongerexcitation.Secondly,drivetrainsthathavebeenoptimizedforweightandefficiencyarehighlysensitivetoexcitation.Thissituationresultsinanumberofcomfortproblems.Gearrattleandboom,particularlyinlowspeedrangesthataredesirableforfuelefficiency,poseanannoyingproblem.Besidesthis,tip-in/back-outreactionscantakeallthefunoutofdriving.Theselow-frequencytorsionalvibrationsarealsoknownbythedescriptivetermBonanzaorbuckingbroncoeffect.

如今，人们越来越注意扭转驱动系的振动。

一方面，现代车辆设计产生了更强的激励。

其次，在重量和效率上已被优化的驱动系对激励变得高度敏感。

这种情况导致了一些汽车舒适性的问题。

齿轮的撞击和噪声带来了一个令人讨厌的问题，特别是在低速运转燃油效率比较好情况下。

除了这些，汽车的起动去掉了这些所有的驾驶上的乐趣。

这些低频率的扭转振动也以描述性术语Bonanza或者野马效应被人所知。

Traditionally,torsionalvibrationshavebeenstudiedprimarilyfromthestandpointofreducingnoiseandimprovingcomfort.However,onemustalsobearinmindthatthiskindofdrivetrainvibration,resonanceinparticular,cangenerateloadsthatfarexceedthemaximumenginetorque.Rapidtip-insgenerateshort-termloadsthatmayequaluptotwicetheenginetorque.Insuchcases,theclutchcanevensliptemporarily.Givencurrentemphasisondrivetrainweightoptimizationandcostreduction,avoidingthesetorquepeakswillcertainlybecomemoreimportantinthefuture[1].

传统上，扭转振动已经从降低噪音和提高舒适性的方面进行了研究。

但是，我们必须记住这种类型的驱动系振动，特别是共振，会产生远远超过发动机扭矩最大值的扭矩。

快速的发动起火会产生高达两倍于发动机扭矩的短期载荷。

在这种情况下离合器甚至会出现短暂的滑动。

鉴于目前的重点放在传动系的重量优化和降低成本，避免这些扭矩峰值会在将来变的越来越重要。

ExcitationofTorsionalVibrationinMotorVehicleDriveTrains

Manysourcesofexcitationmustbeconsideredwithrespecttotorsionalvibrations.Figure1listsmajorcauses,withoutclaimingtobeall-inclusive.Themainsourceisengineirregularityresultingfromtheignitioncycle.Thisbasicexcitationinthemotorvehicledrivetrainisthesubjectofalmostallthefollowingpresentations.Irregularignitionorevenmisfiringcanalsoleadtoseriousvibrationproblems,butthesefactorswillnotbetreatedinthisseriesofpresentationsbecausetheycanusuallybeeliminatedbyoptimizingignitionitself.

Driver-inducedtorquechangescangeneratethedreadedBonanzaeffect

许多激励的来源必须要和扭转振动一块考虑。

图1列出了主要的激励来源，但并不是全部的原因。

最主要的激励来源是由于点火周期发动机的不规则性。

这种在机动车传动系的基本激励是几乎下面所有陈述的主要内容。

不规则的点火，有时甚至哑火也可能导致严重的振动问题，但是这些因素将不会在这里介绍，因为这些因素通常可以通过优化点火系统来消除。

驾驶者引起的力矩变化可能会产生可怕的Bonanza效应。

Achatteringclutchcanalsobecomeanadditionalsourceofvibration.Thephysicalprinciplesaffectingthisphenomenonwillbethesubjectofaseparatepresentation.

一个来回结合的离合器也有可能成为振动的额外来源。

影响这一现象的物理原理将会一个单独展示的主题。

Axialdisplacementbetweentheengineandthetransmissioninputshaftcanleadtoadditionalradialloadsthatcausechangesinthedampingcharacteristicsynchronoustotheenginespeed.Thisgeneratesanassociatedexcitation.

发动机与变速器输入轴之间的轴向位移可以引起额外的径向载荷，这种载荷导致了与发动机速度同步的阻尼特性的变化。

Gearmeshingandgearpitcherrorinthetransmissionitselfcanalsoexcitetorsionalvibrations[2].Inautomatictransmissions,gearshiftscanhaveaneffectsimilartoachangeinenginetorque.

变速器本身的齿轮啮合误差和齿距误差也有可能激发扭转振动。

在自动变速器中，换挡也会有一个和发动机扭矩变化相似的影响。

Driveshaftswithbendinganglescanalsobeasourceofexcitation[3].Irregularroadsurfacesarecapableofexcitingthedrivetrain,ascantireslippageresultingfromchangesinfrictioncoefficientsbetweenthetireandtheroadsurface.

有一定弯曲角度的驱动轴也是激励的一种。

不规则的路面也能对驱动系产生激励，因为轮胎和路面的摩擦系数的变化导致了轮胎的滑移。

EngineIrregularity

Themainsourceofexcitationfortorsionalvibrationsisdiscreteengineignition[4].Itisalsotheprimarycauseoflow-speedgearrattleandboom.Thefollowingdiscussiondealswiththebasicprinciplesinvolvedinthisphenomenon.

扭转振动的主要激励源是分散的发动机点火。

这也是低速齿轮敲击噪声和隆隆声的主要原因。

接下来是关于涉及到这种现象的基本原则的讨论。

Torqueatthecrankshaftisaperiodicfunctionoftimeor-tousetheterminologyfavoredbytheenginespecialists–afunctionofthecrankshaftangle.Thistorquecurveisplottedasafunctionoftimeandisdeterminedbythegasforcesinthecylinder,bythegeometryofthecrankdrive,andbytheaccelerationmomentsofthecrankdriveanditschangingmassmomentsofinertiaduringonerotation[5,6].

曲轴上的扭矩是时间的周期函数或者-使用发动机专家青睐的术语-曲轴转角的函数。

这样的扭矩曲线被绘制成时间的函数，并且取决于气缸中气体的力量，曲轴的几何形状和曲轴驱动的瞬时加速度还取决于它在一个转动周期可变的转动惯量。

Significantmassforcesonlyoccurathigherspeeds,atwhichpointtheycanevenbecomedominant.Becausegearrattleandboomoccurprimarilyatlowenginespeeds,inertialforcesarenegligiblefortheseobservations.ThisresultsintheverysimpletorquerelationshowninFigure2below.

只有在较高速度是才会出现惯性力，在这个时候惯性力会成为主导力。

因为齿轮敲击和嗡嗡声主要出现在发动机速度较低的时候，惯性力对它们来说可以忽略不计。

这就导致了如下图2显示的非常简单的转矩关系。

Accordingtothisequation,thetime-dependenttorqueactingonthecrankshaftistheproductofthepistondisplacement,ageometryfactordependentontheangleofthecrankshaftandthepressurecurveofthecylinder.ThegraphshownatthebottomofFigure2illustratesthisprincipleforonecylinder.Inafourstrokeengine,thiscurveisrepeatedtwiceperrevolution.

根据这个公式，按时间变化作用在曲轴上的扭矩是活塞的位移产物，是一个取决于曲轴角度和气缸压力曲线的几何因子。

在图2地步所示的图表中示出了用于单气缸的这一原则。

在一个四冲程发动机中，这个曲线每转出现两次。

Forfour,five,sixoreightcylinderengines,thecharacteristiccurveforeachindividualcylinderasshowninFigure2mustbesuperimposedaccordingtotheappropriatephaseangleinordertoobtainthetotalenginecharacteristic.Asanexample,Figure3showsthetorquecurvesforafour,asixandaeightcylinderengine,eachwithidenticalpistondisplacements.

对于4,5,6或者8缸发动机，单个气缸的特性曲线如图2所示的那样按照适当的相位角叠加在一起为了获得总的发动机特性曲线。

如图3所示的例子中，是四缸六缸八缸的扭矩曲线，每一个都具有相同的单缸排气量。

Engineswithhighernumbersofcylindershaveseveraladvantages.Totalcylinderdisplacementisdistributedoverseveralcylinders.Thisreducespistondisplacementandtheresultingexcitationpercylinderaccordingly.Furthermore,excitationoccursatahigherfrequency.Aswewilldemonstratelater,thissimplifiestorsiondampertuning.

具有更多缸数的发动机有一下几个优点。

发动机的气缸总排气量肺部在多个气缸内。

这减少了单个气缸排气量和每个气缸相应激励。

此外，激励产生的频率更高了。

就像我们将会在后面展示的那样，这简化了扭转减震器的调整。

Figure2showedthatthetorquecurveisproportionatetopistondisplacementpercylinder.ItfollowsthenthatFigure4showsthemeasuredvaluesforthepositiveandnegativetorquepeaksplottedwithrespecttothepistondisplacementofonecylinderoperatingunderfullload.Themeasurementswereconductedinaspeedrangestartingfromabout1,500rpm.Figure4includesdataforbothgasolineanddieselengineswithfour,sixandeightcylinders.AsonewouldexpectfromtheequationshowninFigure2,themeasuredvaluesforfullloadactuallydoclusteraroundstraightlinespassingthroughthepointoforigin.

图2表明，扭矩正比于每缸活塞的排量。

上面的结论是有图4得出的，图4是正负扭矩的峰值测量值依照在满载情况下运行的单缸排量绘制出。

该测量是在以1500rpm为起点的速度范围内进行的。

图4包含了用于四缸六缸和八缸柴油机和汽油机的所有数据。

正如人们从图2公式中所希望得到的，满负荷的测量值确实都聚集在了穿过原点的直线上。

Peaktorquemagnitudebyitselfdoesnotrevealanythingaboutengineirregularity.ThisvalueisdeterminedbasedonthemassmomentofinertiaJmofthecrankshafttogetherwithcomponentssuchastheflywheelandtheclutch,whicharerigidlyattachedtoit.Theangularacceleration

isdeterminedusingtheequation:

峰值扭矩幅度并没有透露出发动机的不规则性。

这些数值取决于曲轴和像飞轮，离合器等于曲轴刚性连接的部件的转动惯量Jm。

叫加速度

是用下式来确定的

Thisvalueexhibitsanalmostconstantamplitudeatthelowspeedswewereinterestedin.Thecurvefortheangularvelocityorthespeedasafunctionoftimecanbeplottedusingintegration:

该值显示出了在低速情况下几乎恒定的振幅，这种振幅正式我们希望看到的。

角速度或速度与时间的函数曲线可以用下面的积分绘制：

GiventheinformationsummarizedinFigure4,wecanpredictengineexcitationunderfullloadwithafairdegreeofaccuracy.Moreover,itispossibletomakecomparisonsbetweendifferentenginesandtheirdegreesofirregularity.

根据图4总结的信息，我们可以在一个相当的精度下预测出发动机在全负荷下激励。

而且，在不同发动机间作比较成为可能，而且比较他们的不规则程度也成为了可能。

However,inidlemode,thetorquesactingonthecrankshaftdonotpresentsuchauniformpicture（Figure5）.

然而，在怠速模式下，作用在曲轴上的扭矩不会表现出这种统一的图形。

Onlythetorquespikesfordieselenginesareproportionatetothepistondisplacementofacylinder.Inthecaseofgasolineengines,theyaremuchlowerandtheydonotrevealanyclearcutrelationship.

只有柴油机的峰值扭矩是正比于单缸排量。

在汽油机中，峰值扭矩要小很多，而且他们之间没有展现出特别明显的关系。

ComparisonofFigures4andrevealsthatexcitationtorquesunderfullloadaresimilarforgasolineanddieselengines,whilesignificantdifferencesappearinidlemode.

比较图4，可以发现在满载情况下的激励扭矩汽油机和发动机相类似，而在怠速情况下就会出现很大的差别。

TheMotorVehicleDriveTrainViewedasaTorsionalVibrationSystem

Amotorvehicledrivetrainrepresentsatorsionalvibrationsystem[7-10].Itcanberoughlydescribedasachainofrotatinginertiasandtorsionsprings.Letusdisregardthefactthatthegearsetsgeneratereactionforcesonthetransmissioncase,whichisattachedtothebodyviaamoreorlesselasticsuspension.NowwecanevenassumethatwearedealingwithalinearchainasshowninFigure6.Forpurposesofclarity,wewilltrytogetbywithasfewdifferentrotatinginertiasandtorsionspringsaspossible.Figure6illustratesthetransitionfromachainconsistingoffiverotatinginertias（engine,transmission,differential,wheelandvehicle）toachainhavingonlythreerotatinginertias（engine,transmissionandvehicle）[11].

机动车的传动该系统代表了一个扭转减震系统。

它可以大致的表述成一个一连串的转动惯量和扭转弹簧。

让我们暂且忽略齿轮组产生的作用在变速箱上的发作用力，变速箱通过或多或少的弹性悬架连接到车身上。

现在，我们甚至可以假设我们在处理如图6所示的线性传动链。

为了清楚起见，我们将尽可能的用尽可能少的不同的转动惯量和扭转弹簧。

从图6可以看出包含五个转动惯量（发动机，变速器，差速器，车轮，车辆整体）的传动链到仅仅拥有三个转动惯的转变（发动机，变速器，车辆整体）。

Thiskindofsimplemodelprovidesadequateinformationformanyvibrationproblems.Ofcourse,itisimportanttoemphasizethatiscannotbeusedtoillustratealldrivetrainproblems.

这种类型的简化模型对大多数振动问题来讲都能提供出足够的信息。

当然，要强调的是这并不能用