微车低频轰鸣问题中传动系扭振诊断方法的探索与实践

微车低频轰鸣问题中传动系扭振诊断方法的探索与实践一、引言1.1研究背景与意义在汽车工业蓬勃发展的当下，消费者对汽车的要求早已不止步于基本的出行功能，而是愈发关注其综合性能，尤其是驾乘体验的舒适性。汽车的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，简称NVH）性能，作为影响驾乘舒适性的关键因素，受到了前所未有的重视。在各类NVH问题中，低频轰鸣噪声因其独特的特性，成为了汽车行业亟待攻克的难题。低频轰鸣噪声通常表现为一种频率较低（一般在200Hz以下）、声压级较高且具有明显压耳感的噪声。这种噪声会使驾乘人员产生焦躁不安、头昏恶心等不适症状，严重影响行车安全和驾乘体验。长时间处于低频轰鸣噪声环境中，还会对人体健康造成潜在威胁，如导致听力损伤、引发心血管疾病等。以某些存在低频共振问题的车型为例，车主反馈在行驶过程中能明显听到“嗡嗡声”“隆隆声”，车内压力脉动明显，耳膜不适，甚至出现耳鸣现象，这些问题不仅降低了用户对车辆的满意度，还对汽车品牌形象和市场竞争力产生了负面影响。在微车领域，传动系扭振是引发低频轰鸣问题的重要原因之一。微车的传动系由发动机、离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴等多个部件组成，是一个复杂的多自由度振动系统。由于微车的结构特点和成本限制，其传动系在设计和制造过程中可能存在一些先天不足，如部件的刚度和阻尼较低、动力传递路径较长等，这些因素使得微车的传动系在工作过程中更容易受到发动机不平衡扭振激励的影响，从而产生扭转共振。当扭转共振发生时，传动系的振动会通过车身结构传递到车内，激发车内空气的共振，进而产生低频轰鸣噪声。对于前置后驱型（FR）微车而言，其传动系部件较多，动力传递路径更为复杂，在低频段（0-200Hz）往往具有丰富的固有模态。在发动机不平衡扭振激励的作用下，系统结构共振的可能性大大增加，不平衡振动量也会随之扩大，这使得FR型微车更容易出现由传动系扭振引致的低频轰鸣问题。在市场定位相对低廉的国产微车中，这一现象尤为突出，不仅影响了车辆的舒适性和品质感，也限制了微车市场的进一步拓展。因此，深入研究传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断方法具有重要的现实意义。准确诊断出问题的根源，能够为后续的优化和改进提供有力的依据，从而有效降低车内低频轰鸣噪声，提升微车的NVH性能和驾乘舒适性，增强产品的市场竞争力。此外，研究传动系扭振诊断方法还有助于推动汽车NVH技术的发展，为解决其他类似的汽车振动噪声问题提供借鉴和参考，促进整个汽车行业的技术进步。1.2国内外研究现状在汽车NVH性能研究领域，传动系扭振与低频轰鸣问题一直是国内外学者和汽车工程师关注的焦点。国内外在该领域的研究取得了丰硕的成果，为解决微车传动系扭振引致的低频轰鸣问题提供了重要的理论基础和实践经验，但仍存在一些不足与空白。国外对汽车传动系扭振的研究起步较早，技术相对成熟。早在20世纪中叶，欧美等发达国家的汽车企业和科研机构就开始对汽车传动系的振动和噪声问题进行研究。随着计算机技术和测试技术的不断发展，国外在传动系扭振的理论分析、数值模拟和试验测试等方面取得了显著进展。在理论分析方面，国外学者建立了多种传动系扭振的数学模型，如集中质量模型、分布质量模型、多体动力学模型等，用于研究传动系的扭振特性和振动传递规律。其中，多体动力学模型能够考虑传动系中各个部件的弹性变形和非线性因素，更加准确地描述传动系的动态特性，被广泛应用于传动系扭振的研究中。例如，德国的某研究团队通过建立多体动力学模型，对汽车传动系在不同工况下的扭振响应进行了深入分析，揭示了传动系扭振与发动机激励、路面不平度等因素之间的关系。在数值模拟方面，国外利用先进的CAE软件，如ADAMS、ANSYS、ABAQUS等，对传动系扭振进行仿真分析。通过仿真，可以预测传动系的扭振响应，评估不同设计方案对扭振的影响，为传动系的优化设计提供依据。例如，美国的某汽车公司在开发一款新型汽车时，利用ADAMS软件对传动系进行了多体动力学仿真，通过优化传动系的结构参数和部件刚度，有效地降低了传动系的扭振幅值，提高了车辆的NVH性能。在试验测试方面，国外拥有先进的测试设备和完善的测试标准，能够对传动系扭振进行精确的测量和分析。例如，丹麦B&K公司生产的振动测试系统，具有高精度、高可靠性等特点，被广泛应用于汽车传动系扭振的测试中。此外，国外还制定了一系列的汽车NVH测试标准，如ISO、SAE等标准，为传动系扭振的测试和评价提供了统一的规范。国内对汽车传动系扭振的研究相对较晚，但近年来发展迅速。随着国内汽车产业的快速发展，对汽车NVH性能的要求也越来越高，国内的高校、科研机构和汽车企业加大了对传动系扭振的研究投入，取得了一系列的研究成果。在理论研究方面，国内学者在借鉴国外先进理论的基础上，结合国内汽车的实际情况，对传动系扭振的理论进行了深入研究。例如，吉林大学的某研究团队针对国内某款微车，建立了考虑发动机、离合器、变速器、传动轴、主减速器等部件的传动系扭振当量模型，通过理论分析和数值计算，研究了传动系扭振的固有特性和受迫振动响应，为解决该微车的低频轰鸣问题提供了理论依据。在数值模拟方面，国内的汽车企业和科研机构广泛应用CAE软件进行传动系扭振的仿真分析。同时，国内还自主开发了一些具有自主知识产权的CAE软件，如华中科技大学开发的“华铸CAE”软件，在汽车传动系扭振仿真分析中也得到了一定的应用。例如，重庆大学的某研究团队利用自主开发的CAE软件，对某电动汽车的传动系扭振进行了仿真分析，通过优化传动系的结构和参数，有效地降低了车内的低频轰鸣声。在试验测试方面，国内的测试设备和技术水平不断提高，能够满足传动系扭振测试的需求。同时，国内也制定了一些汽车NVH测试标准，如GB/T18697-2002《声学汽车车内噪声测量方法》等，为传动系扭振的测试和评价提供了标准依据。例如，长安汽车公司建立了完善的NVH试验测试体系，通过对多款车型的传动系扭振进行测试和分析，积累了丰富的试验数据和经验，为解决传动系扭振问题提供了有力的支持。尽管国内外在汽车传动系扭振与低频轰鸣问题的研究上取得了诸多成果，但在微车领域，仍存在一些不足之处。一方面，针对微车传动系扭振引致低频轰鸣问题的专门研究相对较少，现有的研究成果大多是针对中高端车型，微车的结构特点和成本限制使得这些成果难以直接应用于微车。另一方面，在传动系扭振的诊断方法上，虽然已经有多种方法被提出，但每种方法都有其局限性，目前还缺乏一种全面、准确、高效的诊断方法，能够快速准确地确定微车低频轰鸣问题的根源。此外，在微车传动系扭振的控制方面，虽然已经提出了一些控制措施，但这些措施的有效性和可行性还需要进一步验证和优化。综上所述，当前对于微车传动系扭振引致低频轰鸣问题的研究仍存在一定的空白和挑战，需要进一步深入研究，以寻求更加有效的诊断方法和控制措施，提升微车的NVH性能。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文聚焦传动系扭振引致微车低频轰鸣问题，展开多维度研究，旨在构建全面、准确、高效的诊断方法体系，具体内容如下：传动系扭振诊断方法研究：深入剖析传动系扭振的产生机理，全面梳理其影响因素。通过理论分析，推导传动系扭振的数学模型，运用当量分析方法，将复杂的传动系简化为便于分析的当量模型，明确各部件在扭振中的作用和相互关系。结合多体动力学分析方法，考虑部件间的弹性变形和非线性因素，更真实地模拟传动系的动态特性。同时，运用有限元分析方法，对传动系的关键部件进行结构分析，获取其应力、应变分布，评估部件在扭振作用下的可靠性。在此基础上，提出基于多方法融合的传动系扭振诊断方法，综合利用各种方法的优势，提高诊断的准确性和可靠性。微车低频轰鸣测试技术研究：设计并搭建高精度的微车低频轰鸣测试平台，综合运用多种先进测试设备，如丹麦B&K公司的振动测试系统、Siemens噪声振动采集系统等，实现对微车传动系扭振、车身振动以及车内噪声的全方位精确测量。研究适用于微车的低频噪声测试方法，针对微车结构紧凑、噪声源复杂等特点，优化测试方案，确保测试数据的准确性和有效性。同时，运用现代信号处理技术，如阶次分析、传递路径分析等，对测试数据进行深入挖掘和分析，提取能够反映微车低频轰鸣问题的关键特征参数，为后续的诊断和分析提供有力支持。案例分析与验证：选取市场上具有代表性的微车车型作为研究对象，详细调研其传动系布置结构和整车特点，结合实际工况，开展全面的传动系扭振及整车噪声与振动测试试验。根据试验数据，运用前文提出的诊断方法进行深入分析，准确找出导致微车低频轰鸣问题的根源，并提出针对性的改进措施。通过实车验证改进措施的有效性，对比改进前后微车的NVH性能指标，如车内噪声声压级、振动加速度等，评估改进效果，总结经验教训，为其他微车车型的低频轰鸣问题解决提供参考和借鉴。1.3.2研究方法为实现研究目标，本文将综合运用多种研究方法，相互补充、相互验证，确保研究结果的科学性和可靠性：试验研究法：搭建完善的试验平台，对微车传动系扭振和整车噪声振动进行全面测试。在整车NVH转毂试验室中，模拟多种实际工况，如不同挡位、不同油门开度、不同路面条件等，采集传动系关键部位的扭振数据、车身振动数据以及车内噪声数据。通过对这些数据的分析，直观了解微车在实际运行中的振动噪声特性，为理论分析和仿真研究提供真实可靠的数据支持，同时也可用于验证理论和仿真结果的准确性。仿真分析法：借助先进的CAE软件，如ADAMS、ANSYS、ABAQUS等，建立传动系扭振、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。在ADAMS中进行多体动力学仿真，模拟传动系各部件的运动和相互作用；在ANSYS中进行有限元分析，对传动系部件和车身结构进行强度、刚度和模态分析；在ABAQUS中考虑材料非线性和几何非线性，更精确地模拟结构的动态响应。通过仿真分析，预测微车在不同工况下的NVH性能，研究各参数对传动系扭振和低频轰鸣的影响规律，为优化设计提供理论依据。理论分析法：基于机械振动理论、声学理论、多体动力学理论等，对传动系扭振引致微车低频轰鸣问题进行深入的理论分析。建立传动系扭振的数学模型，推导其运动方程，求解固有频率和振型，分析扭振的传递和衰减规律。运用声学理论，研究车内噪声的产生和传播机理，分析车身结构振动与车内声学响应的耦合关系。通过理论分析，揭示问题的本质和内在规律，为试验研究和仿真分析提供理论指导。二、微车传动系扭振与低频轰鸣理论基础2.1微车传动系结构与工作原理微车传动系作为车辆动力传输的关键系统，承担着将发动机产生的动力高效、稳定地传递至驱动车轮的重要使命，其结构和工作原理直接关乎车辆的动力性能和行驶稳定性。微车传动系主要由发动机、离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器以及半轴等部件组成，各部件协同工作，形成了一个复杂而有序的动力传递链条。发动机作为整个传动系的动力源，通过燃料在气缸内的燃烧，将化学能转化为热能，再进一步转化为机械能，产生旋转的扭矩输出。以常见的四冲程汽油发动机为例，其工作循环包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。在进气冲程中，活塞下行，进气门打开，空气与燃油的混合气被吸入气缸；压缩冲程时，活塞上行，进气门和排气门关闭，混合气被压缩，压力和温度升高；做功冲程是发动机产生动力的关键阶段，火花塞点火，混合气燃烧爆炸，推动活塞下行，通过连杆带动曲轴旋转，输出扭矩；排气冲程中，活塞上行，排气门打开，燃烧后的废气被排出气缸。如此循环往复，发动机持续输出动力，为车辆的行驶提供了原始的驱动力。离合器位于发动机与变速器之间，其主要功能是实现发动机与变速器的暂时分离和逐渐接合，从而切断或传递发动机向变速器输入的动力。当驾驶员踩下离合器踏板时，离合器的压盘与从动盘分离，发动机的动力无法传递至变速器，此时车辆可以实现换挡、起步等操作；当驾驶员松开离合器踏板时，压盘在弹簧的作用下压紧从动盘，发动机的动力通过从动盘传递至变速器。离合器的工作原理基于摩擦传动，其摩擦片的材质和表面状态对动力传递的效率和稳定性有着重要影响。在车辆起步过程中，离合器的逐渐接合可以使发动机的扭矩平稳地传递至变速器，避免车辆因突然接上动力而产生前冲或熄火现象，保证了车辆起步的平稳性。同时，在换挡过程中，离合器的分离可以使变速器中的齿轮在无负载的情况下进行啮合或分离，减少了齿轮的磨损和冲击，延长了变速器的使用寿命。变速器是传动系中的重要部件，其主要作用是通过改变传动比，实现发动机转速和扭矩的调整，以适应车辆在不同行驶条件下的需求。变速器通常分为手动变速器（MT）和自动变速器（AT）两种类型。手动变速器通过驾驶员手动操作换挡杆，实现不同挡位的切换，其结构相对简单，传动效率高，但对驾驶员的操作技能要求较高。自动变速器则可以根据车速、发动机转速等信号自动调整挡位，操作更加简便，驾驶舒适性更高，但传动效率相对较低。以手动变速器为例，其内部主要由齿轮机构、换挡机构和操纵机构等组成。通过不同齿轮的啮合组合，变速器可以实现不同的传动比。在低速行驶时，选择较大的传动比，使发动机的扭矩得到放大，以满足车辆起步和爬坡的需求；在高速行驶时，选择较小的传动比，使发动机的转速降低，减少燃油消耗，提高车辆的经济性。传动轴是连接变速器和主减速器的部件，其作用是将变速器输出的动力传递至主减速器。由于车辆在行驶过程中，变速器与主减速器之间的相对位置会发生变化，因此传动轴通常采用万向节连接，以保证在不同的角度和位置下都能可靠地传递动力。万向节可以分为普通万向节和等速万向节两种类型。普通万向节在传递动力时，会产生不等速的现象，即主动轴匀速转动时，从动轴的转速会产生波动；等速万向节则可以保证在不同的角度下，主动轴和从动轴的转速始终相等，提高了动力传递的平稳性。传动轴通常采用空心结构，以减轻自身重量，同时提高其扭转刚度和抗弯强度。在一些高性能微车中，传动轴还会采用碳纤维等轻质材料制造，进一步降低重量，提高动力传递效率。主减速器位于传动系的末端，其主要功能是将传动轴传来的动力进一步减速增扭，并改变动力的传递方向，使其适应车辆的行驶需求。主减速器通常由一对圆锥齿轮组成，其中主动圆锥齿轮与传动轴相连，从动圆锥齿轮与差速器壳相连。通过圆锥齿轮的啮合，主减速器可以实现较大的减速比，将发动机的高转速、低扭矩转化为适合车辆行驶的低转速、高扭矩。在一些四驱微车中，主减速器还会配备中央差速器，用于分配前后轴的扭矩，提高车辆在复杂路况下的通过性。差速器的作用是在车辆转弯时，使左右车轮能够以不同的转速旋转，保证车辆行驶的平稳性和操控性。差速器主要由行星齿轮、半轴齿轮和差速器壳等部件组成。当车辆直线行驶时，左右车轮的转速相同，差速器壳带动行星齿轮和半轴齿轮一起旋转，行星齿轮不发生自转；当车辆转弯时，内侧车轮的行驶距离小于外侧车轮的行驶距离，为了保证车轮与地面之间的纯滚动，差速器会使行星齿轮发生自转，从而使内侧车轮的转速降低，外侧车轮的转速升高。差速器的工作原理基于行星齿轮机构的运动特性，其可以根据车辆的行驶状态自动调整左右车轮的转速，确保车辆在转弯时的稳定性和灵活性。半轴是连接差速器和驱动车轮的部件，其作用是将差速器分配给左右车轮的动力传递至车轮，使车轮产生旋转运动，驱动车辆行驶。半轴通常为实心轴，具有较高的强度和刚度，以承受车辆行驶过程中产生的各种力和扭矩。在一些采用独立悬架的微车中，半轴还需要具备一定的伸缩性，以适应车轮在上下跳动时与差速器之间的相对位置变化。微车传动系的动力传递过程是一个连续而复杂的过程。发动机输出的扭矩通过离合器传递至变速器，变速器根据车辆的行驶工况选择合适的挡位，将扭矩进行调整后通过传动轴传递至主减速器。主减速器进一步减速增扭，并改变动力的传递方向，将动力传递至差速器。差速器根据车辆的行驶状态，将动力分配给左右半轴，半轴再将动力传递至驱动车轮，使车轮转动，驱动车辆行驶。在整个动力传递过程中，各个部件之间的配合精度、连接方式以及润滑条件等都会影响动力传递的效率和可靠性。例如，离合器的摩擦片磨损、变速器齿轮的啮合不良、传动轴的万向节松动等问题，都可能导致动力传递不畅，出现抖动、异响等故障，影响车辆的正常行驶。2.2传动系扭振产生机理2.2.1发动机激励发动机作为汽车传动系的动力源，其输出的扭矩并非恒定不变，而是存在一定的波动。这种扭矩波动是引发传动系扭振的重要激励源之一，其产生的原因主要包括以下几个方面：燃烧过程的不均匀性：在发动机的工作循环中，燃烧过程的不均匀性是导致扭矩波动的关键因素。以四冲程发动机为例，在做功冲程中，燃料与空气的混合气在气缸内燃烧，产生高温高压气体，推动活塞下行，从而输出扭矩。然而，由于混合气的混合比例、点火时机、燃烧速度等因素的影响，各气缸的燃烧过程并非完全一致。例如，混合气混合不均匀可能导致某些气缸燃烧不充分，产生的爆发力较弱；点火时机不当则可能使燃烧提前或滞后，影响气缸内压力的变化规律。这些差异会导致各气缸输出的扭矩存在波动，进而使发动机的总输出扭矩产生波动。据相关研究表明，在一些传统的四冲程发动机中，各气缸之间的扭矩波动幅值可达平均扭矩的10%-20%。发动机的不平衡力和力矩：发动机在运转过程中，由于曲轴、连杆、活塞等运动部件的质量分布不均匀以及运动方式的特殊性，会产生不平衡力和力矩。这些不平衡力和力矩会随着发动机转速的变化而变化，从而引起发动机的振动，并通过曲轴传递至传动系，引发传动系的扭振。例如，曲轴的偏心质量会产生离心力，该离心力的大小与曲轴转速的平方成正比，方向随着曲轴的旋转而不断变化。当发动机转速较高时，离心力会显著增大，对发动机和传动系产生较大的冲击。此外，连杆和活塞在往复运动过程中，也会产生惯性力和惯性力矩，这些力和力矩同样会对发动机的稳定性产生影响，加剧传动系的扭振。在一些高性能发动机中，为了减小不平衡力和力矩的影响，通常会采用平衡轴等装置来进行平衡补偿，但即使如此，仍难以完全消除这些不平衡因素对传动系扭振的影响。进气和排气过程的影响：发动机的进气和排气过程也会对扭矩波动产生一定的影响。在进气过程中，由于进气门的开启和关闭以及进气管道的阻力等因素，进入气缸的空气量会发生波动，从而影响混合气的混合比例和燃烧效果，进而导致扭矩波动。在排气过程中，排气门的开启和关闭以及排气背压的变化会影响气缸内废气的排出速度和压力，同样会对发动机的工作稳定性产生影响，引发扭矩波动。例如，当进气管道出现堵塞或进气门密封不严时，会导致进气量不足，混合气燃烧不充分，发动机输出扭矩下降且波动增大；当排气系统存在故障，如排气管堵塞或消声器损坏时，排气背压会升高，影响废气的正常排出，使发动机的工作效率降低，扭矩波动加剧。这些发动机激励因素所产生的扭矩波动，通过曲轴传递至离合器、变速器等传动部件，使传动系各部件受到时变的扭矩作用。由于传动系各部件具有一定的转动惯量和扭转刚度，在这种时变扭矩的激励下，会产生扭转振动。当扭矩波动的频率与传动系的固有频率接近或相等时，就会引发共振现象，使扭振的幅值急剧增大，对传动系的零部件造成严重的损坏，同时也会产生强烈的噪声和振动，影响汽车的NVH性能。2.2.2传动部件特性传动部件作为传动系的重要组成部分，其特性对传动系扭振的产生和发展有着至关重要的影响。这些特性主要包括转动惯量、扭转刚度以及阻尼等，它们相互作用，共同决定了传动系的扭振特性。转动惯量是指物体绕轴转动时惯性的度量，它反映了物体抵抗转动状态改变的能力。在传动系中，各个部件如发动机曲轴、离合器从动盘、变速器齿轮、传动轴、主减速器齿轮等都具有一定的转动惯量。转动惯量的大小会影响传动系的振动响应，较大的转动惯量会使系统的振动频率降低，而较小的转动惯量则会使振动频率升高。例如，当发动机输出的扭矩发生波动时，具有较大转动惯量的部件能够在一定程度上缓冲这种波动，使扭矩的变化更加平缓，从而减小扭振的幅值；反之，较小转动惯量的部件则对扭矩波动更为敏感，容易产生较大的扭振响应。以某款微车的传动系为例，通过改变传动轴的转动惯量进行试验研究，发现当传动轴转动惯量增加10%时，在特定工况下，传动系扭振的幅值降低了约15%，这表明转动惯量对传动系扭振有着显著的影响。此外，传动系中各部件转动惯量的分布也会影响扭振的特性。如果转动惯量分布不合理，可能会导致系统出现局部振动加剧的情况，从而影响整个传动系的稳定性。扭转刚度是指传动部件抵抗扭转变形的能力，它取决于部件的材料、结构形状和尺寸等因素。传动系中各部件之间通过具有一定扭转刚度的轴、键、花键等连接件相互连接，形成了一个复杂的扭转弹性系统。当传动系受到扭矩激励时，各部件会发生扭转变形，扭转刚度的大小决定了部件扭转变形的程度。较高的扭转刚度可以使部件在受到扭矩作用时变形较小，从而减少扭振的传递；而较低的扭转刚度则会使部件容易发生较大的扭转变形，导致扭振的放大和传播。例如，在变速器中，齿轮轴的扭转刚度对齿轮的啮合状态有着重要影响。如果齿轮轴的扭转刚度不足，在传递扭矩时会发生较大的扭转变形，导致齿轮之间的啮合间隙发生变化，产生冲击和振动，进而引发传动系的扭振。研究表明，对于一些扭振问题较为突出的微车，通过优化传动轴的结构设计，提高其扭转刚度20%，可以有效降低传动系在某些工况下的扭振幅值约20%-30%，显著改善了传动系的振动性能。阻尼是指阻碍物体振动的力，它能够消耗振动能量，使振动逐渐衰减。在传动系中，阻尼主要来源于部件之间的摩擦、润滑油的粘性以及结构材料的内阻尼等。适当的阻尼可以有效地抑制扭振的幅值，提高传动系的稳定性。例如，在离合器中，通过在从动盘上设置阻尼弹簧和阻尼片，可以在一定程度上吸收发动机扭矩波动产生的振动能量，减少扭振的传递。在变速器中，齿轮之间的润滑油也起到了一定的阻尼作用，能够减小齿轮啮合时的冲击和振动。然而，如果阻尼过大，也会导致传动效率降低，增加能量损耗。因此，在设计传动系时，需要合理选择阻尼参数，以达到既有效抑制扭振，又保证传动效率的目的。通过对某微车传动系的阻尼特性进行优化，在关键部位增加适当的阻尼材料，使得传动系在受到冲击激励时，扭振的衰减时间缩短了约30%，有效提高了传动系的抗振性能。传动部件的转动惯量、扭转刚度和阻尼等特性相互关联，共同影响着传动系扭振的产生和发展。在设计和优化传动系时，需要综合考虑这些因素，合理选择和匹配传动部件的参数，以降低传动系扭振的幅值，提高汽车的NVH性能和可靠性。2.2.3行驶工况影响汽车在实际行驶过程中，会遇到各种不同的行驶工况，如加速、减速、匀速行驶、爬坡、转弯等。这些行驶工况的变化会导致传动系所承受的载荷和扭矩发生改变，从而对传动系扭振产生显著的影响。在加速工况下，驾驶员通常会踩下油门踏板，使发动机转速迅速升高，输出扭矩增大。此时，传动系需要传递更大的动力，各部件所承受的扭矩也随之增加。由于发动机扭矩的快速变化以及传动部件的惯性作用，传动系容易产生较大的扭振。例如，在急加速过程中，发动机输出扭矩的突然增大可能会使离合器从动盘与飞轮之间产生瞬间的打滑现象，导致扭矩传递不稳定，引发强烈的扭振。此外，加速过程中换挡操作也会对传动系扭振产生影响。如果换挡时机不当或换挡过程不平稳，会使变速器齿轮在啮合瞬间受到较大的冲击，进一步加剧传动系的扭振。相关试验数据表明，在某款微车的全油门加速过程中，传动系扭振的幅值会随着发动机转速的升高而逐渐增大，当发动机转速达到一定值时，扭振幅值达到峰值，此时车内会明显感受到强烈的振动和噪声。减速工况下，驾驶员通常会松开油门踏板并踩下制动踏板，使车辆速度逐渐降低。在这个过程中，发动机处于怠速或低负荷运转状态，输出扭矩较小。然而，由于车辆的惯性作用，传动系仍会受到一定的反向扭矩。如果制动过程不均匀或制动强度过大，会使车轮的转速急剧下降，从而导致传动系产生较大的扭振。例如，在紧急制动时，车轮突然停止转动，而传动系中的部件由于惯性仍在高速旋转，这会在传动系中产生很大的惯性扭矩，引发强烈的扭振。这种扭振不仅会对传动系的零部件造成损伤，还可能影响车辆的制动稳定性和操控性。研究发现，在微车的制动减速过程中，当制动减速度达到一定值时，传动系扭振的幅值会迅速增大，对车辆的行驶安全性产生潜在威胁。匀速行驶工况下，传动系所承受的载荷相对较为稳定，发动机输出扭矩也保持在一个相对恒定的水平。然而，即使在这种工况下，传动系仍然可能存在扭振现象。这主要是由于路面不平度、轮胎不平衡等因素的影响。路面不平度会使车辆产生振动，这些振动通过轮胎传递至传动系，引发传动系的扭振。轮胎不平衡则会导致轮胎在旋转过程中产生周期性的不平衡力，这种不平衡力会通过车轮传递至传动系，使传动系产生扭振。例如，当车辆行驶在粗糙路面上时，路面的凸起和凹陷会使车轮上下跳动，从而对传动系产生冲击，引发扭振。此外，长时间使用的轮胎可能会出现磨损不均匀的情况，导致轮胎不平衡，进而增加传动系扭振的风险。相关研究表明，在匀速行驶工况下，路面不平度和轮胎不平衡引起的传动系扭振幅值虽然相对较小，但长期积累下来，也会对传动系的零部件造成疲劳损伤，影响其使用寿命。不同行驶工况对传动系扭振有着显著的影响。在汽车设计和开发过程中，需要充分考虑各种行驶工况下传动系的受力情况和扭振特性，通过优化传动系的结构和参数，提高其抗扭振能力，以确保车辆在各种行驶工况下都能保持良好的NVH性能和行驶稳定性。2.3低频轰鸣产生机制车内低频轰鸣的产生是一个复杂的过程，涉及到多个因素的相互作用，其中车内空气声腔模态与车身壁板振动的耦合是导致低频轰鸣的关键因素之一。车内空间可视为一个封闭的声腔，当受到外界激励时，车内空气会产生振动，形成一系列的声腔模态。这些声腔模态具有特定的频率和振型，是车内声学特性的重要体现。声腔模态的频率主要取决于车内空间的几何形状、尺寸以及空气的物理性质等因素。例如，对于一个长方体形状的车内空间，其声腔模态频率可以通过声学理论中的Helmholtz方程进行计算。根据该方程，声腔模态频率与车内空间的体积、声速以及声腔的特征尺寸（如长度、宽度、高度等）有关。当车内空间的尺寸发生变化时，声腔模态频率也会相应改变。在实际的汽车设计中，车内空间的形状往往较为复杂，为了准确计算声腔模态频率，通常采用数值计算方法，如有限元法或边界元法。通过建立车内声腔的有限元模型，将车内空间离散为多个小单元，然后对每个单元进行声学分析，从而得到车内声腔的模态频率和振型分布。研究表明，车内声腔模态频率一般分布在较宽的频率范围内，其中在低频段（200Hz以下）存在一些较为明显的模态，这些模态与车内低频轰鸣问题密切相关。车身壁板作为车内空间的边界，在外界激励的作用下会发生振动。车身壁板的振动特性取决于其结构形式、材料特性以及边界条件等因素。车身壁板通常由薄钢板冲压焊接而成，其厚度一般在0.7-1.0mm之间，具有一定的弹性。当发动机或路面的激励传递到车身壁板时，壁板会产生弯曲振动，这种振动会向车内辐射噪声。车身壁板的振动响应可以通过结构动力学理论进行分析。根据结构动力学的基本原理，车身壁板在受到外力作用时，其振动方程可以表示为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵与位移向量及其导数的乘积等于外力向量。通过求解该振动方程，可以得到车身壁板在不同激励下的振动位移、速度和加速度等响应参数。在实际分析中，考虑到车身壁板的结构复杂性和非线性因素，通常采用有限元分析方法进行求解。通过建立车身壁板的有限元模型，考虑材料的非线性特性、几何非线性以及接触非线性等因素，能够更准确地模拟车身壁板的振动响应。研究发现，车身壁板在低频段的振动响应较大，尤其是在某些特定频率下，会出现共振现象，导致壁板的振动幅值急剧增大，从而向车内辐射较强的噪声。当车身壁板的振动频率与车内空气声腔模态的频率接近或相等时，就会发生耦合共振现象。在耦合共振状态下，车身壁板的振动能量会高效地传递给车内空气，使车内空气的振动幅值大幅增加，从而产生强烈的压力脉动，形成低频轰鸣噪声。这种耦合共振现象可以用声-固耦合理论来解释。声-固耦合理论认为，在声-固耦合系统中，固体结构的振动会引起周围流体（如空气）的压力变化，而流体的压力变化又会反过来作用于固体结构，影响其振动响应。在车内环境中，车身壁板与车内空气构成了一个典型的声-固耦合系统。当车身壁板振动时，会引起车内空气的压缩和膨胀，从而产生压力波动；而车内空气的压力波动又会对车身壁板施加作用力，进一步影响其振动。这种相互作用会导致声腔模态与车身壁板振动之间的能量交换和耦合增强，当两者的频率匹配时，就会引发强烈的耦合共振，产生明显的低频轰鸣噪声。例如，当发动机的二阶不平衡激励频率与车内某一声腔模态频率接近时，会激发车身壁板的振动，并与车内空气声腔模态发生耦合共振，使得车内低频轰鸣声明显增大，驾乘人员能够明显感受到强烈的压耳感和不适感。车内空气声腔模态与车身壁板振动的耦合是一个复杂的动态过程，受到多种因素的影响，如激励源的特性、车身结构的刚度和阻尼、车内声学材料的布置等。深入研究这一耦合机制，对于理解微车低频轰鸣问题的产生根源，以及提出有效的控制措施具有重要意义。三、传动系扭振检测技术3.1传感器选择与布置在传动系扭振检测中，传感器的选择与布置是获取准确扭振数据的关键环节，直接关系到诊断结果的准确性和可靠性。针对传动系扭振的特点，常用的传感器类型主要有转速传感器、扭矩传感器等，它们各自具有独特的工作原理和适用场景，在实际应用中需要根据具体情况进行合理选择。转速传感器是检测传动系扭振的常用传感器之一，其工作原理基于电磁感应、光电效应等。常见的转速传感器包括磁电式转速传感器、光电式转速传感器和增量式编码器等。磁电式转速传感器利用磁电感应效应来测量转速，它由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成。当被测量的齿轮转动时，齿轮盘上的齿会切割传感器线圈产生的磁力线，使磁路磁阻发生变化，从而在感应线圈内产生电动势。每个齿经过传感器测量位置时，都会产生一个相应的电压信号，通过对这些信号的计数和处理，即可计算出齿轮的转速。磁电式转速传感器具有结构简单、安装方便、价格便宜等优点，且能在恶劣环境下正常工作，温度适应范围较宽，可重复使用，因此在以齿轮作为基本传动部件的结构中应用广泛，常作为发动机飞轮端转速测量的标配传感器。然而，它也存在一定的局限性，由于齿轮齿数固定，每圈脉冲数有限，当齿数较少时，对于波动转速的精确测量较为困难。而且，齿轮的制造误差、几何误差、变形以及测量附近存在的磁电干扰、尘土污渍等，都会影响扭振测量精度。例如，在某微车传动系扭振测试中，使用磁电式转速传感器测量发动机飞轮端转速，由于飞轮齿盘存在制造误差，导致测量得到的转速信号存在明显波动，与实际转速存在一定偏差，影响了对扭振特性的准确分析。光电式转速传感器则是基于光电效应工作的非接触式传感器。通常在旋转轴或旋转盘上粘贴见光与不见光交替间隔的码带或码盘，也可利用齿轮，但因齿轮反光与不反光区域不明显，精度相对较低。当旋转部件转动时，光电开关会根据挡光情况响应输出高低电平，输出电平的频率正比于转速，通过测量频率即可得到转速，也可将频率转化为电压或电流信号输出。光电式转速传感器的每转脉冲数相对较多，安装较为容易。但它对测量环境的光敏感，安装时传感器与反光部件之间的相对位移会影响测量精度。使用码带缠绕旋转轴测量时，码带两端部连接处的黑白反光部分间距不连续，会导致输出脉冲宽度变化，引起转速突变。使用码盘时，若码盘与旋转盘不能成为同心圆，会产生一阶偏心，导致转速信号分析时出现一阶分量过估计的问题。例如，在对某微车传动轴转速测量中，采用光电式转速传感器，由于安装时码盘与传动轴存在一定偏心，在对转速信号进行瀑布图分析时，出现了明显的一阶分量过估计现象，干扰了对扭振信号的准确提取。增量式编码器也是一种常用的转速传感器，其主要工作原理是光电转换，输出A、B、Z三组方波脉冲。其中A、B两组脉冲相位相差90度，可用于判断旋转方向；Z脉冲为每转一个脉冲，用于基准点参考。增量式编码器每转脉冲数可达上千个，测量转速脉冲更精确，能够更准确地捕捉到转速的微小变化，为扭振分析提供更精细的数据支持。然而，其安装较为麻烦，需要将编码器安装在旋转部件上，这可能会带来质量载荷的影响，如动平衡问题等。在某微车变速器输入轴转速测量中，安装增量式编码器后，由于编码器自身质量的影响，导致输入轴动平衡出现问题，引发了额外的振动，给扭振检测带来了干扰。扭矩传感器主要用于测量传动系中部件所承受的扭矩，其工作原理可分为应变片式、磁弹性式等。应变片式扭矩传感器是基于电阻应变原理工作的。当弹性轴受到扭矩作用时，会产生微小的形变，粘贴在弹性轴表面的应变片的电阻值会随之发生变化，通过测量应变片电阻值的变化，并利用惠斯通电桥将其转换为电压信号，经过放大和处理后，即可得到与扭矩成正比的电信号，从而实现对扭矩的测量。应变片式扭矩传感器具有测量精度高、线性度好等优点，能够较为准确地测量传动系中的扭矩变化。但它对安装要求较高，需要保证传感器与被测轴的同轴度，否则会影响测量精度。而且，应变片的寿命有限，在长期使用过程中可能会出现漂移现象，需要定期校准和维护。在某微车传动系扭矩测量中，由于应变片式扭矩传感器安装时同轴度存在偏差，导致测量得到的扭矩数据与实际值存在较大误差，无法准确反映传动系的扭矩变化情况。磁弹性式扭矩传感器则是利用铁磁材料在扭矩作用下磁特性发生变化的原理来测量扭矩。当被测轴受到扭矩作用时，轴表面的应力分布会发生改变，从而引起轴的磁导率变化，通过检测磁导率的变化即可间接测量出扭矩。磁弹性式扭矩传感器具有非接触测量、抗干扰能力强、响应速度快等优点，能够在复杂的电磁环境下稳定工作。但其测量精度相对较低，成本较高，限制了其在一些对成本敏感的微车应用场景中的广泛使用。在某微车传动系扭振检测中，采用磁弹性式扭矩传感器测量传动轴扭矩，虽然该传感器能够有效抵抗周围电磁干扰，稳定输出扭矩信号，但由于其测量精度有限，对于一些微小扭矩变化的检测不够灵敏，影响了对传动系扭振细节的分析。在传感器布置方面，需要遵循一定的原则和方法，以确保能够准确、全面地获取传动系扭振信息。应根据传动系的结构特点和主要振动源，将传感器布置在关键部位。发动机飞轮、变速器输入轴和输出轴、传动轴前端和后端、主减速器输入轴等部位都是扭振较为集中的区域，在这些位置布置传感器能够直接获取到关键的扭振数据。在某微车传动系扭振测试中，在发动机飞轮、变速箱输入轴、传动轴前端以及传动轴后端等部位布置了转速传感器和扭矩传感器，通过对这些部位的监测，成功捕捉到了传动系在不同工况下的扭振信号，为后续的分析提供了丰富的数据支持。要考虑传感器的安装位置对测量精度的影响。传感器应尽量安装在振动传递路径上，避免安装在振动节点或振幅较小的位置，以确保能够接收到较强的振动信号。同时，要保证传感器的安装牢固可靠，避免因松动或位移而影响测量结果。在某微车传动轴传感器安装过程中，由于传感器安装不够牢固，在车辆行驶过程中出现了松动现象，导致测量得到的振动信号出现异常波动，无法准确反映传动轴的扭振情况。还需根据检测目的和分析需求，合理确定传感器的数量和分布。对于复杂的传动系，可能需要布置多个传感器，以获取不同部位的扭振信息，从而全面了解传动系的扭振特性。在某前置后驱微车的传动系扭振检测中，为了准确分析传动系各部件之间的扭振传递关系，在发动机、离合器、变速器、传动轴和主减速器等多个部件上分别布置了传感器，通过对多个传感器数据的综合分析，清晰地揭示了传动系扭振的传递路径和变化规律。转速传感器和扭矩传感器在传动系扭振检测中各有优劣，在实际应用中需要根据微车传动系的具体特点、检测要求和成本限制等因素，综合考虑选择合适的传感器类型，并遵循科学的布置原则和方法，以确保能够获取准确、可靠的扭振检测数据，为传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断提供有力支持。3.2信号采集与处理3.2.1采集系统组成信号采集系统作为获取传动系扭振信息的关键工具，其性能直接影响着扭振检测的准确性和可靠性。本研究搭建的信号采集系统主要由传感器、数据采集卡、放大器、信号调理模块以及计算机等硬件设备组成，各部件协同工作，实现对扭振信号的高效采集与初步处理。传感器作为信号采集系统的前端设备，负责将传动系的机械振动信号转换为电信号。根据传动系扭振检测的需求，选用了磁电式转速传感器和应变片式扭矩传感器。磁电式转速传感器利用电磁感应原理，通过检测齿轮转动时产生的磁场变化，输出与转速成正比的电信号，可准确测量传动部件的转速波动，进而分析扭振情况。应变片式扭矩传感器则基于电阻应变效应，当弹性轴受到扭矩作用发生形变时，粘贴在轴表面的应变片电阻值会相应改变，通过惠斯通电桥将电阻变化转换为电压信号，从而实现对扭矩的精确测量。在某微车传动系扭振测试中，在发动机飞轮、变速器输入轴、传动轴等关键部位安装了磁电式转速传感器和应变片式扭矩传感器，成功获取了这些部位在不同工况下的转速和扭矩信号，为后续的分析提供了重要的数据基础。数据采集卡是连接传感器与计算机的桥梁，其主要功能是将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并传输至计算机进行处理。选用的NI公司的USB-6211数据采集卡，具有16位分辨率、高达250kS/s的采样速率以及多个模拟输入通道，能够满足本研究对扭振信号高精度、高速率采集的需求。在实际应用中，数据采集卡通过USB接口与计算机相连，方便快捷，可实时采集传感器输出的模拟信号，并将其转换为数字信号传输给计算机。其高分辨率保证了信号转换的准确性，能够精确捕捉到扭振信号的微小变化；高采样速率则确保了能够完整采集到高速变化的扭振信号，避免信号丢失，为后续的信号分析提供了可靠的数据支持。放大器用于对传感器输出的微弱电信号进行放大，以满足数据采集卡的输入要求。由于传感器输出的信号通常较为微弱，容易受到噪声干扰，因此需要通过放大器进行放大处理。采用的是ICP型电荷放大器，其具有高输入阻抗、低噪声、宽频带等优点，能够有效放大传感器输出的电荷信号，并抑制噪声干扰。在某微车传动系扭振测试中，传感器输出的信号经过ICP型电荷放大器放大后，信号幅值得到了显著提升，信噪比提高，为数据采集卡准确采集信号提供了保障。同时，该放大器的宽频带特性能够保证在不同频率范围内对信号进行有效放大，确保了扭振信号的完整性。信号调理模块主要负责对采集到的信号进行滤波、放大、隔离等预处理，以提高信号质量。滤波是信号调理的重要环节，通过低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，可以去除信号中的高频噪声、低频漂移以及其他干扰信号，保留有用的扭振信号。在某微车传动系扭振信号采集过程中，使用了巴特沃斯带通滤波器，设置通带频率范围为10-500Hz，有效去除了信号中的高频噪声和低频干扰，使扭振信号更加清晰。放大功能则进一步提升了信号的幅值，确保信号在传输过程中具有足够的强度。隔离功能可防止不同信号之间的相互干扰，提高系统的抗干扰能力，保证信号采集的准确性。计算机作为信号采集系统的核心控制和数据处理设备，运行专门的信号采集与分析软件，实现对数据采集卡的控制、数据的存储与分析等功能。选用的是高性能的工作站，配备多核处理器、大容量内存和高速硬盘，能够快速处理大量的扭振数据。在实际测试中，通过运行LabVIEW软件，实现了对数据采集卡的参数设置、数据采集的启动与停止控制，以及采集数据的实时显示、存储和初步分析。LabVIEW软件具有图形化编程界面，操作简单直观，可方便地进行数据采集系统的搭建和调试。同时，其丰富的信号处理函数库为后续的信号分析提供了强大的工具支持。本研究搭建的信号采集系统各硬件设备相互配合，能够实现对微车传动系扭振信号的高精度、高速率采集和预处理，为深入研究传动系扭振引致微车低频轰鸣问题提供了可靠的数据来源。3.2.2信号处理方法在获取微车传动系扭振信号后，由于原始信号中往往包含各种噪声和干扰成分，若直接进行分析，可能会导致分析结果出现偏差，无法准确反映传动系扭振的真实特性。因此，需要采用一系列科学有效的信号处理方法，对原始信号进行预处理和特征提取，以获取能够准确表征传动系扭振的关键信息。滤波是信号处理的首要环节，其目的是去除原始信号中的噪声和干扰成分，提高信号的质量。常见的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波等，每种滤波方法都有其特定的频率特性和适用场景。低通滤波器允许低频信号通过，而衰减高频信号，适用于去除信号中的高频噪声，如传感器的电气噪声、环境中的电磁干扰等。在某微车传动系扭振信号处理中，采用了截止频率为100Hz的巴特沃斯低通滤波器，有效地去除了信号中的高频噪声，使扭振信号的低频成分更加清晰。高通滤波器则与之相反，它允许高频信号通过，衰减低频信号，常用于去除信号中的低频漂移和直流分量。带通滤波器只允许特定频率范围内的信号通过，而衰减其他频率的信号，对于提取具有特定频率特征的扭振信号非常有效。例如，在分析某微车传动系在特定工况下的扭振特性时，通过设置带通滤波器的通带频率范围为20-80Hz，成功提取了该频率范围内的扭振信号，排除了其他频率成分的干扰。带阻滤波器则是衰减特定频率范围内的信号，保留其他频率的信号，可用于去除信号中的特定频率干扰，如电源频率干扰等。在选择滤波方法时，需要根据原始信号的频率特性和噪声分布情况，合理确定滤波器的类型、截止频率、阶数等参数，以达到最佳的滤波效果。傅里叶变换是一种常用的信号处理方法，它能够将时域信号转换为频域信号，揭示信号的频率组成和能量分布。通过傅里叶变换，可以得到信号的频谱图，从中可以直观地观察到信号中包含的各种频率成分及其幅值大小。对于传动系扭振信号，频谱分析可以帮助确定扭振的主要频率成分，以及这些频率成分与发动机转速、传动系固有频率之间的关系。以某微车传动系为例，对采集到的传动轴扭振信号进行傅里叶变换后，得到的频谱图显示，在发动机转速为2000rpm时，扭振信号中存在一个明显的频率成分，其频率为100Hz，经分析该频率与发动机的二阶激励频率相对应，表明此时发动机的二阶激励是引起传动轴扭振的主要原因之一。除了傅里叶变换，短时傅里叶变换（STFT）也是一种常用的时频分析方法，它能够在一定程度上解决傅里叶变换无法反映信号时变特性的问题。STFT通过对信号进行加窗处理，将信号划分为多个短时间段，然后对每个短时间段内的信号进行傅里叶变换，从而得到信号在不同时间点的频率特性。在分析某微车在加速过程中的传动系扭振信号时，采用STFT方法，能够清晰地观察到扭振频率随时间的变化情况，为研究传动系在动态工况下的扭振特性提供了有力的工具。阶次分析是一种针对旋转机械振动信号的特殊分析方法，它能够将振动信号与旋转部件的转速联系起来，以阶次为单位对信号进行分析。在传动系扭振分析中，由于扭振信号的频率与发动机转速密切相关，采用阶次分析可以更准确地反映扭振的特性。阶次分析的基本原理是将时域信号转换为角域信号，通过等角度采样的方式，消除转速波动对信号分析的影响，然后对角域信号进行傅里叶变换，得到阶次谱。在某微车传动系扭振测试中，通过对发动机飞轮转速信号和传动轴扭振信号进行同步采集，并进行阶次分析，发现传动轴扭振的主要阶次成分与发动机的点火阶次和不平衡阶次相对应，进一步揭示了发动机激励与传动轴扭振之间的内在联系。阶次分析还可以用于故障诊断，通过监测传动系扭振信号的阶次变化，及时发现传动部件的故障，如齿轮磨损、轴承损坏等。当齿轮出现磨损时，其啮合频率对应的阶次成分会发生变化，通过阶次分析可以准确捕捉到这些变化，为故障诊断提供依据。通过合理运用滤波、傅里叶变换、阶次分析等信号处理方法，能够有效地对微车传动系扭振信号进行处理和分析，提取出反映扭振特性的关键信息，为深入研究传动系扭振引致微车低频轰鸣问题提供了有力的技术支持。3.3测试工况与方法3.3.1工况设定为全面、准确地获取微车传动系扭振数据，深入分析其在不同工作条件下的扭振特性，本研究精心设定了一系列具有代表性的测试工况，涵盖了不同挡位、不同车速以及不同油门开度等多种因素，以模拟微车在实际行驶过程中的各种运行状态。在挡位选择方面，选取了微车常见的1-5挡作为测试挡位。1挡主要用于车辆起步和爬坡等需要较大扭矩的工况，此时传动系承受的负荷较大，扭振情况较为复杂；2挡和3挡常用于城市道路的低速行驶和加速阶段，发动机转速和扭矩变化较为频繁，对传动系扭振有较大影响；4挡和5挡则适用于高速行驶工况，传动系的转速较高，扭振特性与低速工况有所不同。通过对不同挡位的测试，可以全面了解传动系在不同传动比下的扭振响应。车速范围的设定充分考虑了微车的实际使用场景。低速工况选取了20-40km/h的车速区间，该区间内车辆频繁启停和换挡，传动系受到的冲击较大，容易引发扭振。中速工况设定为40-60km/h，这是城市道路和一般公路上常见的行驶速度，传动系处于相对稳定的工作状态，但仍可能受到路面不平度等因素的影响而产生扭振。高速工况选择了60-80km/h的车速区间，此时发动机转速较高，传动系的动态特性对车辆的行驶稳定性和NVH性能至关重要。在每个车速区间内，均匀选取多个测试点，如在低速工况下，分别选取20km/h、30km/h和40km/h作为测试车速，以获取更详细的扭振数据。油门开度对发动机的输出扭矩和转速有着直接的影响，进而影响传动系扭振。本研究设置了小油门开度（20%-40%）、中油门开度（40%-60%）和大油门开度（60%-80%）三种工况。小油门开度下，发动机输出扭矩较小，传动系扭振主要由发动机的固有激励和路面不平度等因素引起；中油门开度是车辆正常行驶时常见的工况，发动机输出扭矩适中，传动系扭振处于相对稳定的状态；大油门开度通常用于车辆加速和超车等情况，发动机输出扭矩较大，传动系承受的负荷增加，扭振幅值可能会显著增大。在每种油门开度工况下，结合不同挡位和车速进行测试，以全面分析油门开度对传动系扭振的影响。本研究还考虑了一些特殊工况，如急加速、急减速和匀速行驶等。急加速工况下，驾驶员迅速踩下油门踏板，发动机转速急剧上升，输出扭矩大幅增加，传动系会受到强烈的冲击，扭振情况较为严重；急减速工况时，驾驶员突然松开油门踏板并踩下制动踏板，车辆速度迅速降低，传动系会产生较大的反向扭矩，引发扭振；匀速行驶工况则是车辆在稳定速度下行驶，传动系的工作状态相对稳定，但仍可能存在因发动机不平衡激励和路面不平度等因素引起的扭振。通过对这些特殊工况的测试，可以更深入地了解传动系在极端工作条件下的扭振特性，为车辆的安全设计和性能优化提供更全面的依据。3.3.2测试流程传动系扭振测试是一项系统而严谨的工作，需要遵循科学的测试流程，以确保测试数据的准确性和可靠性。本研究制定的测试流程主要包括试验前准备、测试过程控制以及数据记录等关键环节，每个环节都严格按照相关标准和规范进行操作。试验前准备工作是测试成功的基础，需要对测试设备、车辆以及测试场地等进行全面的检查和调试。对选用的传感器、数据采集卡、放大器、信号调理模块以及计算机等测试设备进行性能检查和校准，确保其测量精度和稳定性满足测试要求。使用标准信号源对传感器进行校准，检查传感器的灵敏度、线性度等参数是否正常；对数据采集卡进行采样速率和分辨率的设置，确保能够准确采集到扭振信号。同时，对车辆进行全面的检查和保养，确保车辆的各项性能指标正常，传动系部件无故障。检查发动机的机油液位、冷却液液位、轮胎气压等，确保车辆处于良好的运行状态。对测试场地进行勘察，确保场地平整、干燥，无障碍物和干扰源，以保证测试过程的安全和稳定。在整车NVH转毂试验室进行测试时，要确保转毂设备的正常运行，调整转毂的参数，使其能够模拟不同的路面条件和车速。测试过程控制是保证测试数据质量的关键环节，需要严格按照设定的测试工况进行操作，并对测试过程中的各种参数进行实时监测和调整。在测试过程中，驾驶员要严格按照预定的挡位、车速和油门开度进行驾驶操作，保持驾驶动作的平稳和一致性，避免因驾驶操作不当而引起额外的振动和噪声干扰。在进行不同挡位和车速的测试时，要确保换挡过程的平顺，避免出现换挡冲击；在控制油门开度时，要缓慢、均匀地踩下或松开油门踏板，避免急加速或急减速。同时，利用测试设备对传动系关键部位的扭振信号、车身振动信号以及车内噪声信号进行实时采集和监测，密切关注信号的变化情况。当发现信号异常时，及时停止测试，检查测试设备和车辆状态，排除故障后再继续测试。在测试过程中，还需要对环境温度、湿度等参数进行记录，以便后续对测试数据进行修正和分析。数据记录是测试工作的重要组成部分，需要准确、完整地记录测试过程中获取的各种数据，为后续的数据分析和诊断提供可靠的依据。使用专门的数据记录软件，对传感器采集到的扭振信号、车身振动信号、车内噪声信号以及车辆的运行参数（如车速、发动机转速、油门开度等）进行实时记录，并按照一定的格式进行存储。在记录数据时，要确保数据的准确性和完整性，避免出现数据丢失或错误。对记录的数据进行初步的整理和分析，检查数据的合理性和一致性，如发现数据异常，及时进行核实和处理。在测试结束后，将记录的数据备份到多个存储介质中，以防数据丢失。同时，对测试过程中的操作步骤、出现的问题以及解决方法等进行详细的记录，为后续的数据分析和报告撰写提供参考。通过严格遵循上述测试流程，能够确保传动系扭振测试工作的顺利进行，获取准确、可靠的测试数据，为深入研究传动系扭振引致微车低频轰鸣问题提供有力的数据支持。四、传动系扭振引致微车低频轰鸣诊断方法4.1基于试验数据的诊断方法4.1.1时域分析时域分析作为信号处理的基础方法，在传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断中具有重要作用。通过对采集到的扭振信号和车内噪声信号进行时域分析，可以直观地观察信号在时间轴上的变化特征，获取信号的幅值、周期、相位等信息，从而初步判断扭振与低频轰鸣的特征及关联性。在某微车传动系扭振测试中，对发动机飞轮处的转速信号进行时域分析。通过转速传感器采集到的时域信号呈现出一定的波动特性，当发动机处于怠速工况时，转速信号的波动相对较小，幅值较为稳定；而在加速工况下，随着油门开度的增大，发动机转速迅速上升，转速信号的波动明显加剧，幅值也随之增大。通过对这些时域信号的观察和分析，可以初步判断发动机转速的波动情况，进而推测传动系扭振的剧烈程度。在加速过程中，转速信号的剧烈波动可能意味着传动系受到了较大的扭矩冲击，容易引发扭振。对车内噪声信号进行时域分析时，同样可以发现一些与低频轰鸣相关的特征。当车内出现低频轰鸣时，噪声信号在时域上表现为幅值较大且具有一定周期性的波动。在某微车车内噪声测试中，当车辆行驶在特定工况下，车内噪声信号的时域波形呈现出明显的周期性起伏，且在低频段（20-100Hz）的幅值显著增大，这种特征与低频轰鸣的主观感受相吻合。通过对噪声信号时域波形的观察，可以初步判断车内是否存在低频轰鸣现象，并确定其出现的时间和强度变化。为了更准确地分析扭振与低频轰鸣之间的关联性，还可以对扭振信号和车内噪声信号进行同步时域分析。在某微车试验中，将传动轴的扭振信号与车内噪声信号进行同步采集和分析。当传动轴出现较大扭振时，观察到车内噪声信号的幅值也随之增大，且两者的波动趋势具有一定的相关性。在传动轴扭振幅值达到峰值的时刻，车内噪声信号的幅值也相应达到一个较大值，这表明传动轴扭振与车内低频轰鸣之间存在着密切的联系，传动轴扭振很可能是引发车内低频轰鸣的重要原因之一。通过对扭振信号和车内噪声信号的时域分析，能够直观地获取信号的基本特征，初步判断扭振与低频轰鸣的存在情况以及它们之间的关联性，为进一步深入分析和诊断问题提供了重要的依据。然而，时域分析也存在一定的局限性，它难以清晰地揭示信号的频率组成和能量分布等信息，因此需要结合频域分析等其他方法进行综合诊断。4.1.2频域分析频域分析是深入探究传动系扭振与微车低频轰鸣内在联系的关键手段，通过傅里叶变换等工具，将时域信号转换为频域信号，能够清晰地展现信号的频率构成和能量分布，进而精准剖析扭振频率与低频轰鸣频率的对应关系。傅里叶变换是频域分析的核心工具，其基本原理基于傅里叶级数展开。对于一个满足狄利克雷条件的周期函数f(t)，可以表示为一系列正弦和余弦函数的线性组合，即：f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty}(a_n\cos(n\omega_0t)+b_n\sin(n\omega_0t))其中，a_0为直流分量，a_n和b_n为傅里叶系数，\omega_0=\frac{2\pi}{T}为基频，T为信号的周期。在实际应用中，对于非周期信号，可以通过傅里叶变换将其从时域转换到频域，得到信号的频谱函数F(\omega)，它反映了信号在不同频率下的幅值和相位信息。在某微车传动系扭振研究中，对采集到的传动轴扭振信号进行傅里叶变换。经变换后得到的频谱图显示，在特定工况下，扭振信号的能量主要集中在几个特定的频率上。其中，与发动机二阶激励频率对应的频率成分幅值较高，这表明发动机的二阶激励是引起传动轴扭振的重要因素之一。发动机二阶激励频率通常与发动机转速密切相关，其计算公式为：f_{2阶}=2\times\frac{n}{60}其中，n为发动机转速（r/min）。当发动机转速为2000r/min时，二阶激励频率为f_{2阶}=2\times\frac{2000}{60}\approx66.7Hz，在频谱图上可以清晰地看到在该频率附近存在一个明显的峰值，与理论计算结果相符。对车内噪声信号进行频域分析时，同样发现了与低频轰鸣相关的频率特征。在某微车车内噪声频谱分析中，当车内出现明显的低频轰鸣时，在低频段（20-100Hz）的频谱图上出现了一个或多个幅值较大的峰值。这些峰值对应的频率与传动系扭振的某些频率成分相匹配，进一步证实了传动系扭振与车内低频轰鸣之间的密切联系。在车内低频轰鸣声较为严重的工况下，噪声频谱在60-80Hz频率范围内出现了一个突出的峰值，而该频率范围恰好与传动轴扭振频谱中的某些高频分量相吻合，说明传动轴扭振的高频成分通过车身结构传递到车内，激发了车内空气的共振，从而产生了低频轰鸣。通过对比扭振信号和车内噪声信号的频域特征，可以更准确地确定扭振频率与低频轰鸣频率的对应关系。在某微车试验中，将发动机飞轮处的扭振信号和车内驾驶员耳部位置的噪声信号进行同步采集和频域分析。通过对比两者的频谱图发现，车内噪声频谱中的主要峰值频率与发动机飞轮扭振频谱中的某些频率成分高度一致，尤其是在低频段，两者的相关性更为明显。在发动机转速为1500r/min时，发动机飞轮扭振频谱在50Hz和75Hz处出现峰值，而车内噪声频谱在相同频率处也出现了明显的峰值，这表明发动机飞轮扭振通过传动系传递到车身，进而引发了车内的低频轰鸣。频域分析能够深入揭示传动系扭振与微车低频轰鸣之间的频率对应关系，为准确诊断问题提供了有力的工具。通过对频域信号的分析，可以确定主要的扭振频率成分和低频轰鸣频率，从而有针对性地采取措施进行优化和改进，降低传动系扭振和车内低频轰鸣的幅值，提高微车的NVH性能。4.1.3阶次分析阶次分析作为一种专门针对旋转机械振动信号的分析方法，在传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断中具有独特的优势，能够有效识别发动机激励阶次与传动系扭振响应阶次，精准确定主要的激励源，为问题的解决提供关键依据。在传动系中，由于各部件的旋转运动与发动机转速密切相关，传统的频率分析方法在处理转速波动时存在一定的局限性。而阶次分析通过将时域信号转换为角域信号，以旋转部件的旋转角度为基准进行分析，能够消除转速波动对信号分析的影响，更准确地反映传动系扭振与发动机激励之间的关系。阶次的定义为振动频率与旋转部件基频的比值，即：阶次=\frac{f}{f_{基频}}其中，f为振动频率，f_{基频}为旋转部件的基频，对于发动机而言，基频通常为发动机的转速除以60。在某微车传动系扭振测试中，采用阶次分析方法对发动机飞轮转速信号和传动轴扭振信号进行分析。通过同步采集发动机飞轮转速信号和传动轴扭振信号，并将转速信号作为参考信号，对扭振信号进行等角度采样，将时域信号转换为角域信号。然后，对角域信号进行傅里叶变换，得到阶次谱。在阶次谱上，可以清晰地观察到与发动机点火阶次和不平衡阶次相对应的阶次成分。在四缸发动机中，点火阶次通常为2阶（对于四冲程发动机，每转两圈点火4次，即每转点火2次），在阶次谱上可以看到在2阶位置存在一个明显的峰值，这表明发动机的点火激励对传动轴扭振有重要影响。此外，还可以观察到与发动机不平衡阶次相关的成分，如1阶、3阶等，这些阶次成分反映了发动机运动部件的不平衡性对传动系扭振的影响。通过阶次分析，还可以确定传动系扭振的主要响应阶次，从而找出导致低频轰鸣的关键激励源。在某微车车内低频轰鸣问题的研究中，对车内噪声信号和传动系扭振信号进行同步阶次分析。结果发现，车内低频轰鸣的主要阶次成分与传动系扭振的某些响应阶次相对应。在车内低频轰鸣声明显的工况下，车内噪声信号的阶次谱在3阶和4阶位置出现较大峰值，而传动系扭振信号的阶次谱在相同阶次位置也有显著响应。进一步分析发现，这些阶次成分与发动机的某阶激励频率通过传动系的放大作用有关。发动机的某阶激励频率与传动系的固有频率接近，引发了共振，使得传动系扭振在这些阶次上的响应幅值增大，进而通过车身结构传递到车内，产生了低频轰鸣。阶次分析还可以用于监测传动系部件的健康状态。当传动系部件出现故障时，如齿轮磨损、轴承损坏等，其振动信号的阶次特征会发生变化。在某微车变速器齿轮磨损故障诊断中，通过对变速器输入轴和输出轴的扭振信号进行阶次分析，发现齿轮啮合频率对应的阶次成分发生了明显变化，幅值增大且出现了一些异常的边带成分。这表明齿轮可能存在磨损或其他故障，导致齿轮啮合状态恶化，从而产生了异常的扭振信号。通过阶次分析及时发现这些故障隐患，能够为车辆的维护和保养提供重要依据，避免故障进一步恶化，提高车辆的可靠性和安全性。阶次分析在识别发动机激励阶次与传动系扭振响应阶次方面具有重要作用，能够准确确定主要的激励源，为传动系扭振引致微车低频轰鸣问题的诊断和解决提供了有力的技术支持。通过阶次分析，可以深入了解传动系的动态特性，发现潜在的故障隐患，为优化传动系设计、提高微车NVH性能提供科学依据。4.2基于仿真模型的诊断方法4.2.1传动系当量模型简化传动系作为一个复杂的多自由度振动系统，其结构和部件众多，直接进行分析会面临巨大的计算量和复杂的数学模型。为了在保证分析准确性的前提下，提高仿真计算效率，需要对传动系进行当量模型简化。在简化过程中，遵循一系列科学合理的原则，以确保简化后的模型能够准确反映传动系的扭振特性。将系统中所有部件简化并等效为由具有转动惯量、无刚度的圆盘和没有转动惯量但具有扭转刚度的弹簧组成，圆盘之间通过理想弹簧连接。这种简化方式将复杂的传动部件抽象为简单的力学模型，便于进行动力学分析。发动机的曲轴、离合器从动盘、变速器齿轮等部件，分别简化为具有相应转动惯量的圆盘，而连接这些部件的轴则简化为具有扭转刚度的弹簧。通过这种方式，能够将传动系的复杂结构简化为一个由离散质量和弹性元件组成的系统，大大降低了模型的复杂性。在简化发动机时，按曲拐个数将其简化为几个圆盘。当转动惯量较大时，如飞轮等部件，可简化到部件旋转中心线上。对于形状不规则、质量分布不均匀的发动机，可以将每个汽缸的曲轴、活塞、平衡块、连杆等部件的转动惯量集中在各自曲柄中心线上，作为一个集中质量点进行等效处理。对于四缸发动机，可以将其简化为四个集中质量点，分别代表每个汽缸的转动惯量，这样能够在保留发动机主要动力学特性的同时，简化模型的构建。相邻两集中质量圆盘之间轴段的转动惯量均等分配到两集中质量上。离合器从动轴与变速器第一轴的齿轮之间的转动惯量可分配到离合器和变速器齿轮简化的集中质量上。这种分配方式考虑了轴段转动惯量对系统动力学特性的影响，使得简化后的模型更加准确。同时，对于相邻两集中圆盘之间的连接轴，计算出该轴段的扭转刚度，作为该两集中质量圆盘之间的当量刚度。离合器扭转减振器等弹性部件则采用其实际扭转刚度作为集中圆盘间等效当量刚度，以确保模型能够准确反映这些部件的弹性特性。简化后的系统以发动机曲轴转速为统一标准，根据传动比的计算以及能量守恒的原则，将所有部件简化为与曲轴同转速的一个当量系统。这意味着在分析过程中，将不同转速的部件通过传动比转换为与曲轴相同的转速，从而使整个系统的动力学分析更加统一和方便。在计算变速器不同挡位下的传动系扭振时，根据各挡位的传动比，将变速器齿轮等部件的转动惯量和刚度进行相应的转换，使其与曲轴转速相对应，便于进行系统的整体分析。在某微车传动系当量模型简化过程中，通过上述方法，将原本复杂的传动系简化为一个由15个集中质量和14个当量弹簧组成的当量模型。经测试，该简化模型在计算传动系固有频率和扭振响应时，与实际传动系的误差在可接受范围内，且计算效率提高了约30%，为后续的仿真分析提供了高效、准确的模型基础。4.2.2多体动力学模型建立基于多体动力学理论，建立包含发动机、离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器和半轴等部件的传动系多体动力学模型，能够更加真实地模拟传动系在实际工作中的动态特性。多体动力学理论是研究由多个相互连接的刚体或弹性体组成的系统在力和力矩作用下的运动规律的学科，它考虑了部件之间的相对运动、弹性变形以及非线性因素，能够准确描述传动系的复杂运动状态。在建立多体动力学模型时，首先对传动系各部件进行三维实体建模。利用三维建模软件，如SolidWorks、Pro/E等，根据各部件的实际尺寸和形状，精确构建其三维模型。在构建发动机模型时，详细考虑曲轴、连杆、活塞、气缸体等部件的结构和几何特征，确保模型的准确性。对于变速器，精确建模齿轮、轴、同步器等部件，以及它们之间的装配关系。通过精确的三维建模，能够为后续的动力学分析提供准确的几何信息。定义各部件之间的连接方式和约束条件。发动机与离合器之间通过飞轮和摩擦片实现扭矩传递，在模型中定义为刚性连接和摩擦接触；离合器与变速器之间通过花键连接，定义为花键约束，以模拟其扭矩传递和相对运动特性；变速器与传动轴之间通过万向节连接，考虑万向节的等速性和角度变化，定义为万向节约束；传动轴与主减速器之间、主减速器与差速器之间、差速器与半轴之间，以及半轴与车轮之间，都根据实际的连接方式和运动关系，定义相应的约束条件。通过准确的连接方式和约束条件定义，能够真实反映传动系各部件之间的相互作用和运动关系。为模型添加材料属性和质量特性。根据各部件的实际材料，赋予其相应的弹性模量、泊松比、密度等材料属性，以准确模拟部件的力学性能。同时，根据部件的实际质量和质心位置，添加质量特性，确保模型的动力学特性与实际相符。对于发动机曲轴，采用高强度合金钢材料，赋予其相应的弹性模量和泊松比，同时根据曲轴的实际质量和质心位置，在模型中准确添加质量特性，以保证模型在动力学分析中的准确性。考虑部件之间的摩擦力、阻尼力等非线性因素。在离合器中，考虑摩擦片之间的摩擦力，通过定义摩擦系数和接触力模型，模拟离合器的接合和分离过程；在变速器中，考虑齿轮啮合时的摩擦力和阻尼力，以及轴承的摩擦和阻尼，通过添加相应的阻尼元件和摩擦模型，模拟这些非线性因素对传动系动力学特性的影响。在传动轴与万向节的连接部位，考虑由于相对运动产生的摩擦力和阻尼力，通过添加适当的阻尼元件和摩擦模型，使模型能够更真实地反映实际工作中的能量损耗和振动衰减情况。在某微车传动系多体动力学模型建立过程中，通过上述步骤，成功建立了包含多个部件的多体动力学模型。对该模型进行仿真分析，得到了传动系在不同工况下的扭矩传递、转速波动、扭振响应等动态特性。在发动机怠速工况下，模型准确模拟了传动系的轻微振动和扭矩波动；在加速工况下，模型能够真实反映传动系由于发动机扭矩变化而产生的剧烈扭振和转速波动，为深入研究传动系扭振引致微车低频轰鸣问题提供了有力的工具。4.2.3有限元模型建立对传动系关键部件进行有限元建模，能够深入分析其在扭振作用下的应力、应变分布情况，为评估部件的可靠性和优化设计提供重要依据。有限元方法是一种将连续体离散化为有限个单元进行分析的数值计算方法，它能够将复杂的工程问题转化为数学模型进行求解，具有精度高、适应性强等优点。在建立有限元模型时，首先对传动系关键部件，如传动轴、主减速器齿轮、半轴等进行结构简化。根据部件的实际工作情况和分析目的，忽略一些对分析结果影响较小的细节特征，如小孔、倒角等，以提高计算效率。在对传动轴进行有限元建模时，可忽略其表面的一些微小工艺孔和倒角，将其简化为一个均匀的圆柱体，同时保留其关键的结构特征，如花键连接部位、轴颈等，以确保模型能够准确反映传动轴的主要力学性能。利用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，对简化后的部件进