羅美菊

（柳州市交通學校，廣西柳州545007）

某型車輛共振原因分析及解決措施

羅美菊

（柳州市交通學校，廣西柳州545007）

汽車共振會影響汽車行駛的穩(wěn)定性，引起某些零部件的早期疲勞損壞，降低汽車的使用壽命，關系到汽車的耐久性和安全性。通過對汽車共振原因進行分析，以解決某型車輛共振問題為主線，采用試驗排除法尋找共振源，分析和驗證問題產(chǎn)生的原因，通過實踐研究解決共振問題，具有實際意義。

共振；受迫振動；固有頻率；激振源

汽車平順性與舒適性，是衡量汽車制造質量的一個綜合性指標，它給汽車用戶的感受是最直接的。當汽車達到某個速度時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象會導致汽車的平順性變差，甚至引起某些零部件的早期疲勞損壞，降低汽車的使用壽命，影響到汽車的耐久性和安全性［1］。下面以某車型共振問題進行分析與實踐，通過改變零件性能來解決共振問題。

1　振動、共振與動不平衡

振動：振動是指系統(tǒng)在某一平衡位置附近所作的往復運動。

受迫振動：系統(tǒng)在外力作用下（通常是重復性的力）所作的振動稱為受迫振動［2］。

振動頻率：單位時間內完成的運動循環(huán)數(shù)叫做振動頻率，或簡稱為頻率，用f表示。

共振：共振是因為激勵頻率與系統(tǒng)的某階固有頻率相同或相接近時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形。外力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率之一一致，系統(tǒng)就會發(fā)生共振［2］，即系統(tǒng)的振動幅度將會非常大。共振的特性：

（1）減速消失。

（2）出現(xiàn)在某一時速，不隨擋位變化而變化。

（3）發(fā)生在某一時速區(qū)域，高于或低于該區(qū)域，振動均消失。

動不平衡是具有一定轉速的轉動件，由于材料組織不均勻，零件外形的誤差、裝配誤差以及結構形狀局部不對稱等原因，使通過轉子重心的主慣性和旋轉軸線不相重合，旋轉時轉子產(chǎn)生不平衡離心力，造成振動的現(xiàn)象。動不平衡的特性：與負荷無關，與轉速有關。發(fā)生動不平衡時，速度越高，動不平衡越明顯，離心力越大。

2　故障現(xiàn)象

某型車輛后驅動，傳動軸裝配中間軸承，配置2.0T發(fā)動機，六速手動變速器，車輛在110～120 km/h時車身出現(xiàn)共振現(xiàn)象，超過120 km/h行駛振動減弱，達到125 km/h時行駛振動完全消失。

2.1汽車共振原因分析

（1）共振條件

物體做受迫振動的頻率與物體本身無關，由驅動力的頻率決定，且等于驅動力頻率。汽車行駛時，振動現(xiàn)象的出現(xiàn)，是因為有振源，通過振源進行傳播。汽車是由多個零件組成的復合物體，把汽車作為一個系統(tǒng)來研究，汽車本身就是一個具有質量、彈簧和阻尼的振動系統(tǒng)，各部分的結構、特性決定了它的固有頻率［1］。汽車共振是受迫振動的特例，受迫振動的激振源一般分為兩類——路面不平度和車上的振源。車上的振源來自包括輪胎/車輪總成、傳動系統(tǒng)和發(fā)動機等旋轉部件［3］。共振產(chǎn)生的條件是物體做受迫振動的頻率f迫等于驅動力的頻率f驅，而當驅動力的頻率f驅與汽車系統(tǒng)的某一階固有頻率f固相等或接近時，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。振幅A與驅動力頻率f驅、振動物體的固有頻率f固之間的關系如共振曲線圖1所示，當驅動力的頻率不論從小于f固的方向增大而接近f固還是從大于f固的方向減小而接近f固，受迫振動的振幅會迅速增大而出現(xiàn)共振現(xiàn)象，當f迫=f驅=f固時，振幅A最大。汽車共振會影響乘坐舒適性，使汽車的操縱穩(wěn)定性變差，還會產(chǎn)生噪聲，增加能量損耗，甚至使零件結構出現(xiàn)疲勞破壞，影響使用壽命。因此，消除汽車共振問題具有重要的實際意義。

圖1　共振曲線圖

（2）固有頻率

頻率是振動特性的標志，是分析振動原因的重要依據(jù)。根據(jù)固有振動頻率公式（1）可知，振動頻率與系統(tǒng)的固有特性有關（如質量、形狀、材質等），質量m、剛度系數(shù)K的變化都會引起系統(tǒng)固有頻率的改變。在大多數(shù)情況下，激勵的頻率是無法控制的，因此，我們必須重點研究控制系統(tǒng)的固有頻率，以避免共振［2］。

式中，

f為固有頻率；

T為周期；

K為物體（剛度）系數(shù)；

m為物體質量。

2.2消除共振的途徑

（1）通過降低激振源，減小從設備某一部分傳遞到其他部分的激振力，減少對共振的影響。

（2）通過控制系統(tǒng)的固有頻率，錯開共振頻率區(qū)域。根據(jù)固有頻率公式，質量m或者剛度K的變化都會引起系統(tǒng)固有頻率的改變，通過改變物體（零件）性能（如質量、剛度等），來改變物體的固有頻率，達到解決共振問題的目的。

（3）可附加平衡質量和吸振器，降低系統(tǒng)的響應［2］。

3　分析共振現(xiàn)象排查原因

該車型傳動系統(tǒng)結構如圖2所示，傳動軸中間軸承如圖3所示，在傳動軸沒有裝扭轉減震器之前，車輛在80 km/h時車身出現(xiàn)共振現(xiàn)象，當裝上扭轉減震器之后，發(fā)生共振的起止點移至110～120 km/h.

圖2　某型車輛傳動系統(tǒng)結構圖

圖3　傳動軸中間軸承

汽車發(fā)生共振現(xiàn)象，關鍵是先尋找激振源。可采用試驗排除法尋找激振源，再進一步解決共振問題。

（1）動不平衡檢測

在動平衡機上對4個輪胎進行動不平衡檢測，經(jīng)試驗4個輪胎采集數(shù)據(jù)均在規(guī)定數(shù)據(jù)范圍內，4個輪胎不存在動不平衡問題。

（2）發(fā)動機空轉試驗

發(fā)動機空轉狀態(tài)下，把車速提到110～120 km/h，檢查車身是否存在共振現(xiàn)象，試驗發(fā)現(xiàn)整個汽車車身不產(chǎn)生共振，因此激振源不在發(fā)動機。

（3）掛擋試驗

把驅動輪架起來，啟動車輛，擋位掛至最高擋，加速，查看速度表、轉速表，試驗過程車速達到110～120 km/h時，車身沒有發(fā)生共振，車速往上提高，也沒有發(fā)生共振現(xiàn)象，如果共振是因為輪胎動不平衡引起的話，則車速越高，車輛振動越明顯，試驗過程車速提高，但車輛沒有發(fā)生共振，說明車輛共振不是由于輪胎動不平衡引起的，也不是由傳動系統(tǒng)引起的。

（4）改變輪胎氣壓試驗

輪胎是汽車行駛平順性隔振系統(tǒng)的一部分，有吸振能力，為吸收路面的沖擊，提高汽車行駛平順性，它應該柔軟，輪胎徑向剛度盡可能減小，但剛度不能過低，否則會增加車輪的側向偏離，影響操控性，還使?jié)L動阻力增加，輪胎壽命降低。通過路面行駛，降低輪胎氣壓，減緩壓力，改變路面對車輛的影響，試驗發(fā)現(xiàn)某車型發(fā)生共振起止點往后移了3 km，也就是從110 km/h移至113 km/h，車身共振現(xiàn)象未消除，試驗排除了由于路面不平度引起的共振。

通過以上試驗排除路面不平度、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、動不平衡單一系統(tǒng)或單一零件引起的共振。

3.1共振診斷方法

汽車作為一個振動系統(tǒng)，在外界激勵的輸入作用下，會呈現(xiàn)一定的振動輸出響應，當激勵的頻率等于或接近于汽車某階固有頻率時，波形疊加，振動系統(tǒng)（物體）的振幅將達到最大，形成共振。

汽車在路面上行駛，車速提至110～120 km/h，車身共振加大時掛空擋，目的是切斷動力源，也就是沒有外驅動力輸入，此時車身共振現(xiàn)象消失。這說明切斷外驅動力后，沒有外界激勵的輸入作用，也就沒有系統(tǒng)振動輸出的響應。結合所做試驗進行分析，掛擋試驗有傳動系統(tǒng)的振動輸入，沒有路面的振動輸入，車身沒有發(fā)生共振；在路面行駛時，發(fā)生共振時掛空擋，此時有路面的振動輸入，沒有傳動系統(tǒng)的振動輸入，車身也沒有發(fā)生共振，由此可診斷某車型出現(xiàn)共振現(xiàn)象的主要原因是由于路面的振動、傳動系統(tǒng)的振動和速度條件達到110～120 km/h共同作用引起車身劇烈振動。由于汽車受到兩者綜合驅動力激勵輸入，汽車系統(tǒng)做受迫振動，f迫=f驅，而該綜合驅動力的激勵頻率f驅等于或接近于汽車系統(tǒng)某階固有頻率f固，也就是f迫=f驅=f固，振幅達到最大，從而使車身產(chǎn)生了共振。

3.2共振問題的實際解決方法

（1）調直傳動軸

該車輛傳動軸裝配中間軸承，傳動軸在沒有調直之前存在較大離心力。

式中，

F為離心力；

m為質量；

ω為角速度；

r為離心運動半徑。

據(jù)離心力公式（2）可知，運行過程中，在其他條件相同情況下，離心運動半徑越大，則離心力越大，產(chǎn)生動不平衡越大，振動越劇烈。為了降低振源的影響，通過改變傳動軸中間軸承固定支架螺孔位置（如圖4所示），調直兩段傳動軸，減少離心運動半徑的距離，目的是降低激振源，減少對共振的影響。

圖4　傳動軸中間軸承固定支架

（2）改變中間軸承減震膠剛度

路面振動的影響不容易改變，可從傳動系統(tǒng)的振動去尋找解決問題的方法。采用錯開共振頻率區(qū)域的方法來消除共振，在許多實際情況中，質量不能輕易改變，因為它的值是由系統(tǒng)的功能要求決定的，要使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，最經(jīng)常采用的措施是改變系統(tǒng)的剛度。

具體做法：經(jīng)過調直傳動軸后，再在傳動軸中間軸承固定支架上的減震膠（如圖4所示）周圍用鉆頭打通8個φ6小孔，8個φ4小孔。此方法是通過改善零件的組織性能，改變零件的剛度，也就是改變系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，使f迫=f驅≠f固，避開了共振頻率區(qū)域，解決了共振問題。減震膠為橡膠材質，打孔并不會造成減振裝置的斷裂，也不會影響汽車的行駛。

（3）解決效果

經(jīng)上述方法調整之后，該車型車速提到110～120 km/h時，沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，車速往上提高也沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，解決了該車型共振問題。

4　結束語

通過對汽車共振原因進行分析，采用試驗排除法，找到該車型共振的主要激振源，找出引起汽車整車共振的原因，經(jīng)調直傳動軸，降低共振源，再結合改變系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化，避開共振頻率區(qū)域，解決了該車型共振問題。以上實踐研究對解決其他汽車共振問題具有指導性作用。

［1］靳曉雄.汽車振動分析［M］.上海：同濟大學出版社，2002.

［2］（美）Singiresu S.Rao.機械振動［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［3］姜立標.汽車運用工程基礎［M］.北京：北京大學出版社，2008.

［4］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

Causes Analysis and Solving Measures of Resonance of ACertain Type of Vehicles

LUO Mei-ju
（Liuzhou Transportation School，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Motors resonance stability of the vehicle，causing early fatigue damage of certain parts，reduce the service life of the vehicle，related to the car's durability and safety.Through the cause car resonance analysis to address vehicle resonance as the main line，the rule method to find resonance sources，analyze and verify the cause of the problem，through the practice of research to resolve the problem，meaningful.

resonance；forced vibration；natural frequency；excitation source

U472

A

1672-545X（2016）05-0033-04

2016-02-11

羅美菊（1978-），女，廣西河池人，學士，講師，主要研究方向：汽車制造與檢修專業(yè)。