10.16638/jki.1671-7988.2017.13.039
李小亮1,2
（1.江铃汽车股份有限公司；2.江西省汽车噪声与振动重点实验室，江西南昌330001）
摘要：完成某匹配直列四缸柴油发动机前置、后轮驱动、手动变速箱皮卡车的动力传动系统扭振工作变形测试，确定其第2阶扭振峰值频率与振型；建立该车动力传动系扭振仿真模型，分析得到与实测相同工况的动力传动系第2阶扭振模态；对标仿真分析与实际测试的第2阶扭振峰值频率与振型，结果显示良好。基于扭振ODS分析确定的频率与振型，说明仿真模型与分析结果可信，后续可扩展应用该类仿真模型，为全面预测、分析优化汽车动力传动系扭振引起的NVH问题，提供一种快速、有效的方法。
关键词：动力传动系统；扭振；工作变形分析；仿真模型
中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)13-114-04
The ODS Test Analysis and Application of Vehicle Power Train Torsional Vibration
sienna赛娜Li Xiaoliang1,2莲花汽车4s店
( 1.Jiang ling Motors Co., LTD, Jiangxi Nanchang 330001; 2. Key Laboratory of automotive noise and vibration
of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330001 )
Abstract: The ODS test and analysis of Power train torsional vibration is completed for a RWD pickup truck ,which is assembled with inline four-cylinder diesel engine and manual transmission, the peak frequency and vibration shape of the pickup truck power train 2nd order torsional vibration are determined. The model for pickup truck ‘s power train torsional vibration simulation is developed, then the 2nd order torsional vibration modal is confirmed at the same to real test work condition.The simulation result of the truck power train 2nd order torsional vibration peak frequency and vibration shape is almost the same to the ODS test after comparison analysis, this shows the simulation model and its analysis result are credible. Based on the extensible applications analysis result of vehicle power train torsional vibration simulation model,this providesa fast and effective method to complete the comprehensive predictionanalysis and optimization for NVH issues caused by vehicle p
ower train torsional vibration.
Keywords: Power train; Torsional vibration; ODS; Simulation model
CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-114-04
前言
汽车动力传动系统扭振是影响其NVH性能的重要因素之一。工程上通过汽车动力传动系统扭振分析，明确扭振NVH问题的主要影响部件，合理设计、匹配其相关参数，调整传动系扭振固有频率，避免扭转共振产生，可有效提升汽车NVH性能。
本文基于振动工作变型（Operational Deflection Shapes, ODS）理论，通过对某匹配直列四缸柴油发动机前置、后轮
作者简介：李小亮（1985-），男，江西省上饶市鄱阳县，硕士研究生，NVH工程师，就职于江铃汽车股份有限公司。
汽车实用技术 115 2017年第13期
驱动、手动变速箱皮卡车的动力传动系统扭振ODS 测试与分析，确定其扭振频率与振型；建立该车动力传动系扭振仿真模型，分析得到扭振频率与振型，并与实测分析结果对标。
因动力传动系扭振测试方法与结果分析的局限性，提出基于汽车动力传动系扭振仿真模型与扭振ODS 测试的良好对标结果，拓展应用扭振仿真模型，为全面分析与优化涉及汽车动力传动系扭振的NVH 问题，提供一种快速、有效的分析方法。
1 振动工作变形分析基本理论
振动ODS 是指被测结构在某一特定频率、特定转速或特定时间的实际工作变形，描述的是被测结构在实际工作激励下的受迫振动变形，可以以位移、速度、加速度、或角位移、角速度、角加速度度量。是理解和评估振动机构的绝对动力学行为，可快速识别其在运行状态下的振动特性。
作为一种试验分析技术，振动ODS 分析是随着机械结构模态分析与故障诊断技术而逐渐发展起来的。传统的试验模态分析通过在人为施加激励力下，一般从所测得传递函数与时域响应信息中识别振动系统的模态参数，进而评估其动态特性。但对于很多振动系统，因其结构复杂，人为施加激励力非常困难或根本无法实现，导致试验模态分析方法受到一定限制。而振动ODS 分析方法可有效弥补此类不足，用于对振动系统的振动分析。
实际机械结构系统受到动力载荷作用时，由表示其运动规律的多自由度系统微分方程计算得到频响函数矩阵[H(s)]为：
（1） 或
（2）
式（2）描述了机械系统的固有特性，式中分母为结构第k 阶模态的动态参数，分子为对应于极点pr 和pr *江西江铃汽车
的留数，
mini cabrio它表示结构第k 阶模态的变形规律。结构受外力F (k )作用下的响应x (k )，即ODS 值：
（3） 工程实际中通常使用传导函数作为测量ODS 值，将机械运转条件下结构上两个测量点的响应之比定义传导函数，表达式如下：
（4）
其中，T ij (ω)为相对ODS 值，X i (ω)为测点i 处的响应值，X j (ω)为参考j 处的响应值。因每一个测点的传导函数均以同一点的振动响应为参考，则结构上各点的相对位置即可确定，由此可得到结构在运转状态下的振型。
振动ODS 分析与模态分析所反映的结构振型十分接近，但振动ODS 分析结果所反映的是结构在实际运转工况下的振动变形，只反映相对参考点的振动幅值大小和相位变化，不代表绝对意义的幅值大小，不是结构的固有属性。但通常振动ODS 分析可以预测模态分析的结果。
2 传动系扭振ODS 测试与仿真分析
2.1 扭振ODS 测试
依据该车动力传动系统实际结构，确定扭振ODS 测试的关键转速测点依次位置为：发动机曲轴前端、发动机飞轮端、变速箱输入轴处、传动轴前端（第一万向节后）、传动轴后端法兰面（后桥输入端）、及左（右）后轮辋。具体测点位置与转速传感器布置方式见下图1。
图1 动力传动系转速关键测点
其中发动机曲轴前端皮带轮内圈通过专用工装安装编码器；变速箱输入轴处为磁电式转速传感器；其余测点位置处安装光电式转速传感器。
将所有测点信号调试正常后，完成第2/3/4/5挡全油门加速工况的测试。实际测试过程中若因传感器或数据采集器通
道数量不够，或者个别测点信号不正常，通过移动转速传感
器分批次完成测试，但须保证同样工况下有固定的转速测点与传动系处某一振动响应测点为参考。
2.2 仿真分析模型
基于动力传动系统力学模型、常用集中质量法当量等效原则确定的动力传动系统各部件的惯量与刚度参数，使用AMESim 软件，依次建立包括发动机、离合器、变速箱、传
动轴、后桥、半轴、轮胎及车架车身的整车动力传动系统扭振分析模型，具体模型如下图2所示。
图2 整车动力传动系扭振分析模型
通过该仿真模型，可以计算获得动力传动系各挡的扭振
李小亮：汽车动力传动系统扭振ODS测试分析与应用116 2017年第13期
模态参数，即扭振频率、阻尼和振型。
2.3 分析结果对比
因仿真分析模型中包括11个刚度与12个惯量子模型，计算得到同一挡位下有11阶扭转模态，即各挡有11阶扭振频率。其中第2阶扭振频率对应的发动机转速在可测量转速范围内，故对比分析仿真计算与实
际测试的第2阶扭振频率与振型。
2.3.1 扭振频率
所测的某挡位全油门加速工况下，动力传动系各关键测点第2阶扭振振幅峰值大小不同，扭振频率峰值对应的发动机转速稍有偏差。经综合分析确认所测各挡传动系第2阶扭振频率，以及与仿真分析的结果对比如下表1。
表1 动力传动系第2阶扭振频率（单位：Hz）对比
表中数据显示：仿真分析与实际测试的动力传动系统的第2阶扭振频率值相差较小，仿真分析的频率值相比实际测试，相对偏差基本均在±5%以内。
2.3.2 扭振振型
对所测相同工况下的发动机飞轮、变速箱输入轴、传动轴前端及传动轴后端法兰面处的转速数据整理分析，得到其第2阶主激励的扭振频率峰值与相位参数，绘出对应峰值频率的扭振振型。
CAE仿真分析同样可得到相应工况与测点的扭振振型。
因实测或仿真分析得到各挡第2阶扭振振型一致，仅各测点峰值大小不同，故仅取第3挡扭振振型进行对比，如下图3。
图3 动力传动系第2阶扭振振型对比
扭振振型图对比显示两种振型趋势一致，即发动机飞轮端与变速器输入轴间存在相位反节点，变速器
输入轴、传动轴前端及后桥输入轴相位相同，扭振幅值大小不同，其中变速器输入轴的扭振振幅均相对最大。因所建仿真模型中发动机惯量值相对较大，整车动力传动系扭振自由模态分析计算的振动幅值相对最小，与实际测得的有一定差别。
2.3.3 动力传动系统扭振ODS分析
畅跑哥基于振动ODS理论，进行扭振ODS法分析，得到汽车动力传动系统扭转模态振型。因汽车动力传动系统包含有较多的扭转振动机构，且半轴的相对旋转中心轴方向与传动轴等的不同，通过分析动力传动系扭振测试所得的扭振幅值与相位关系，或者对动力传动系人为施加激励力进行模态试验，难以得到整个扭转振动模态振型。
取发动机飞轮端转速与后桥鼻头振动信号为参考，处理分析汽车动力传动系各测点转速数据，得到各挡第2阶频率对应的扭振ODS振型。因分析得到的各挡振型一致，仅取其中的第3挡振型，具体如下图4所示。
图4 扭振ODS振型
ODS振型显示变速器输入轴扭转角相对最大，变速器输入轴转角相对飞轮转角有一定的迟滞，呈现出反相位旋转趋势；变速箱输入轴、与传动轴前后端同相位旋转，但转角大小不同；左右后轮转角方向
相反。改ODS振型，与2.3.2所述的实测扭振数据分析与仿真计算的振型一致，说明该扭振ODS分析方法与计算结果可信。
3 扭振ODS测试分析应用
通过完成相应的整车动力传动系扭振ODS测试与数据处理分析，可直观对比出传动系各子系统的扭振振幅的相对大小、相对参考点的相位关系，明确传动系扭振导致NVH问题的主要影响部件，为快速优化解决问题奠定良好基础。
工程经验总结汽车动力传动系统前3阶扭振模态较大影响整车NVH性能，应重点关注分析，下图5所示汽车动力传动系统扭振频率大体范围与常见NVH现象的关联。
图5 传动系扭振频率范围与主要NVH现象关联对于匹配四缸发动机的汽车，因其动力传动系统的第1阶、第3阶扭振频率对应的发动机转速不在常用可测的范围内，导致较难测得分析出其对应的扭振频率
与振型。通过建立相应的汽车动力传动系扭振仿真模型，将计算分析结果与扭振ODS测试分析结果对比，若两者相同工况下的扭振频率接近、振型一致，则说明所建分析模型与计算结果可信。扩展应用该仿真模型，可快速计算分析出汽车动力传动系统的
汽车实用技术
117 2017年第13期第1阶、第3阶扭振模态，为全面分析汽车动力传动系扭振
NVH问题，或评估整车开发项目中同类型结构虚拟样车的动力传动系扭振性能以及优化提升汽车NVH性能，提供一种快速、有效的方法。
4 结语
（1）基于振动ODS理论，对汽车动力传动系统扭振ODS 测试分析，可有效确定其第2阶扭振频率与振型。
（2）所建立的整车动力传动系统扭振仿真模型，计算分析的第2阶扭振频率、振型与扭振ODS测试结果对标良好，分析模型与计算结果可信。
（3）后续可应用扭振仿真模型快速计算分析出汽车动力传动系统的前3阶扭振模态，为全面预测、分析汽车动力传动系扭振特性，优化提升汽车NVH性能，提供一种快速、有效的方法。参考文献
[1] Dossing O. Structural stroboscopy- measurement of Operational
deflection shapes[J].Sound and Vibration,1988,22(8):18-26.
[2] Richarson M H. Is it a mode shape, or an operating deflection shape
[J]. Sound and Vibration, 1997, 31(1):54-61.
[3] 陈海松，董久莉.ODS方法在车身结构动态分析中的应用[J].汽车
技术,1996,(10).
[4] 郑伟娟，李元宝.应用振动ODS方法分析汽车动力总成振动[J].汽
车技术,2007(9):31-33.
[5] 刘涛，邱辰等.基于模态贡献量的ODS分析技术[A].LMS2011年论
昂科威plus文集[3].
[6] 张全逾，鲍远通等.基于AMESim的传动系统扭振研究[J].制造业
自动化,2014.02.
[7] 夏元烽，李宏成等.后驱车传动系统扭转与弯曲振动的NVH性能
[J].噪声与振动控制,(2011)05-0075-05.
（上接第110页）
从图8可看出换挡时机，75m直线加速用到1、2档，能最大程度利用发动机功率，而不建议使用3档。从图9来看，75m直线加速时间为 4.24s，后期实车测试得出成绩为4.6-4.7s。误差在7.8%-9.8%之间。
图9 位移
2.5 不同轮胎尺寸对比试验
换装13in轮胎，执行100m直线加速仿真试验。而换胎引起的质心位置、惯量等参数变化，不再赘述。
图10 10in和13in轮胎直线加速时间
从上图可知，装13in胎的赛车比10in胎时间多1.1s，可见小尺寸胎对赛车动力性有很大影响，因而我们决定选用10in轮胎。3 结语
文章以某高校2016大学生方程式赛车为原型，在ADA MS/CAR中建立装配模型，随后进行了国标典型
工况和部分赛道工况仿真。在蛇形试验中得出转向性能符合国标规范。在稳态回转试验中得出赛车的侧向极限加速度，以及不同前轮外倾参数对侧向极限的影响规律。在直线加速试验中得出赛车跑完75m所需时间和换挡时机，以及10in、13in轮胎对赛车加速性能的影响。
参考文献
[1] 向杰.中国大学生方程式汽车大赛[J].汽车工程学报,2012(2): 146-
146.
[2] 蔡章林.动力学仿真技术在悬架和整车开发中的应用研究[D].长
春：吉林大学,2004.
[3] 倪俊，徐彬.基于ADAMS的FSAE赛车建模与操纵稳定性仿真[J].
工程设计学报,2011,(05):354-358.
[4] GB/T 6323-2014，汽车操纵稳定性试验方法[S].北京：中国标准出版
社,2014.
[5] 张武.FSAE赛车操纵稳定性的仿真研究[D].长沙：湖南大学,2008.
发布评论