农用运输车整车振动特性的试验研究

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第22卷第4期

2001年7月

江苏理工大学学报(自然科学版)

JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)

Vol.22No.4July2001

农用运输车整车振动特性的试验研究

蒋国平,王国林,周孔亢

(江苏理工大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013)

[摘　要]为研究农用运输车整车振动特性,以试验为基础,对农用运输车的行驶平顺性进行

分析评价,同时对动力传动系扭转振动进行了初步的分析研究1试验研究结果表明:农用运输车的行驶平顺性很差,路面激励是影响农用运输车行驶平顺性的主要因素,发动机激励引起整车产生较为强烈的结构振动噪声;发动机激励和路面激励对动力传动系扭转振动特性的影响是不同的1在整车振动特性试验研究的基础上,提出了农用运输车整车减振降噪的措施1[关键词]农用运输车;平顺性;动力传动系;扭转振动

[中图分类号]U467.4　　[文献标识码]A　　[文章编号]1007-1741(2001)04-0036-05

根据三轮农用运输车市场需求的多元化,某厂家研制了一种市场定位在农民家庭,体积小巧、价格低廉、操作简便、外型美观的三轮农用运输车,但该三轮农用运输车的试验车辆存在较为严重的振动问题1文中以改善该三轮农用运输车的整车振动特性为目的,对车辆行驶平顺性和动力传动系扭转振动进行试验研究,分析整车振动特性的影响因素,为车辆的进一步改进设计提供必要的试验依据1

力传动系前为皮带传动、后为三档齿轮变速联体后桥1根据路面随机激励输入试验标准[1],选取我国农村道路中具有代表性的沥青路和砂石路面作为试验路面,车速选择包括常用车速在内的3个车速1

为了能全面了解三轮农用运输车的整车振动特性,测量了座椅、发动机的垂直振动加速度、半轴扭矩、发动机飞轮瞬时角速度等信号1其中发动机飞轮瞬时角速度是采用MP972型扭振传感器和PD840型瞬时扭角变换器来测量,振动测量及数据分析设备如图11磁带机记录的回放信号由DasyLab信号采集分析系统进行处理,可得到信号的时间历程、功率谱、相干函数、均方根值1

1　试验研究方案

试验车辆是额定载荷为200kg的三轮农用

运输车,所选用的单缸柴油机与车架刚性固定,动

图1　振动测量及数据处理流程

Fig.1　Blockdiagramofvibrationmeasurementanddatadisposition

椅的垂直振动加速度频谱曲线也不同,但都具有

2　三轮农用运输车行驶平顺性分析

211　驾驶员座椅的垂直振动加速度功率谱

三轮农用运输车的行驶工况不同,驾驶员座

一个共同特点:每条曲线都具有两个主要的峰值,

一个低频振动峰值,另一个是高频振动峰值1图2为三轮农用运输车满载在沥青路面以8km/h的车速行驶时座椅垂直振动加速度功率谱图1图

[收稿日期]2001-03-13

[作者简介]蒋国平(1973-),男,广西资源人,江苏理工大学博士后1

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中f为频率,ρp为功率谱密度

1

图2　座椅垂直振动加速度功率谱

Fig.2　Powerspectrumofverticalvibrating

accelerationofseat　　　　

图4　发动机垂直振动和座椅垂直振动相关系数Fig.4　Correlationcoefficientbetweenverticalvibrating

　accelerationofengineandthatofseat　　　

212　三轮农用运输车行驶平顺性评价

座椅垂直振动加速度频谱曲线的第1个峰值

中心频率在不同的车速下变化不大或几乎没有变化,由对三轮农用运输车的悬架系统的固有频率和阻尼比的测试结果可知,若考虑偏频和主频的差异及试验分析误差,则可认为中心频率为318Hz的低频振动峰值,是由前后悬架系统振动引起的1

座椅垂直振动频谱曲线的第2个峰值中心频率随农用运输车发动机转速的变化而变化1图2中座椅高频振动峰值的中心频率为52Hz,发动机转速为3120r/min1图3为发动机垂直振动加速度的功率谱图,当发动机转速为3120r/min时,发动机产生中心频率为52Hz高频振动1图4为发动机垂直振动加速度和座椅垂直振动加速度频谱曲线的相关函数图1从图4可知在52Hz附近的相关函数值都达到0.9785以上,这充分说明座椅振动的高频部分是由发动机激励引起的1发动机一、二阶往复惯性力是引起发动机整体垂直振动的主要激励源[2],从图4可以看出,发动机的二阶往复惯性力很小,可略去不计1由于三轮农用运输车没有发动机悬置系统,直接将发动机刚性固定在车架上,因此发动机的振动直接传递给车架,对整车振动特性有很大的影响

1

国际标准ISO2631推荐采用1/3倍频带分别评价方法和总加权值方法对车辆的平顺性进行评价[3]1

ISO2631的1/3倍频带分别评价法,就是将各种工况下车辆驾驶员座椅处的垂直振动加速度均方根值随1/3倍频程的中心频率变化的曲线与ISO2631的评价曲线进行比较,并对车辆的平顺性作出评价1图5为三轮农用运输车满载在沥青路面以18km/h车速行驶时的驾驶员座椅垂直振动加速度均方根值和疲劳—工效降低界限1其中np为峰值,focT为1/3倍频程

1

图5　座椅垂直振动加速度均方根值及疲劳

—工效降低界限　　　　　　

Fig.5　Therootmeansquareofverticalvibratingaccelerationofseatandreducinglimitationoffatigueversusefficiency

三轮农用运输车驾驶员座椅垂直振动加速度均方根值中存在两个最主要的振动峰值,适宜采用总加权值法进行评价[3]1根据ISO2631/1给的近似方法,可以计算垂直方向总加权值σp¨wz与允许的“疲劳—降低工效界限”暴露时间TFD之间相

图3　发动机垂直振动加速度功率谱

Fig.3　Powerspectrumofverticalvibrating

accelerationofengine

互对应的值

σ2p¨wz=a1×

T0/TFD

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式中a1为ISO2631给的1min“疲劳—降低工效界限”垂直方向4～8Hz;加速度允许值,a1=218m/s2;T0为10min,相当0.167h1

3　动力传动系扭转振动分析

车辆动力传动系扭转振动的激振力矩可来自

许多方面,其中作用在发动机曲轴上的周期性激振力矩是动力传动系扭转振动的主要激振源[2]1发动机曲轴上的激振力矩MG是一个复杂的周期性函数,根据富里叶级数理论,任何周期性函数都可以由一个不同振幅,不同频率、不同初相位的简谐量组成的无穷级数来描述,在一定的精度下,无穷级数可以用有限项数的和来逼近,因此,对于四冲程发动机,激振力矩MG可以表示为

MG=M0+

r=1

当通过路面试验确定了垂直方向总加权值σ“疲劳—降低工效界限”暴露时p¨wz时,即可求得间TFD为

TFD=T0σp¨wz

表1为采用1/3倍频带分别评价方法和总加权值评价方法对三轮农用运输车平顺性进行评价,所获得的疲劳—工效降低界限的暴露时间1

表1　疲劳—工效降低界限的暴露时间

Tab.1　Limitedtimeoffatigueversusefficiency

疲劳工效降低界限的暴露时间

(h)1/3倍频带分

80.800.89

沥青路、满载车速(km/h)

180.150.26

3500.17

8

砂石路、满载车速(km/h)

180.050.22

3000.12

6

∞

Mr sin

ωt+ψrr2

式中　M0———燃气作用力形成的平均扭矩

Mr———r次简谐力矩的幅值

ω———曲轴旋转的角速度ψr———r次简谐力矩的初相位

从公式可以看出,作用在发动机曲轴上的周

期性激振力矩MG是由扭矩的平均值M0和一系列具有不同振幅不同频率、不同初相位的简谐力矩所组成1由振动理论可知,在周期性激振力矩作用下,发动机曲轴的运动包括两个部分,一部分是在平均扭矩的作用下,以角速度ω进行的匀速旋转运动;另一部分是在各次简谐力矩作用下所产生的不同频率的简谐扭转振动1三轮农用运输车采用的是单缸柴油机,在进行扭转振动分析时,可将曲轴飞轮系统视为刚体,发动机飞轮旋转的角速度也就是曲轴旋转的角速度1图6和图7分别为三轮农用运输车满载在砂石路面以8km/

h的车速行驶时的飞轮角速度的时间历程及其功率谱图1图7中ρpw为功率谱密度1

别评价方法总加权值

评价方法

0.220.32

通过对三轮农用运输车行驶平顺性进行试验研究,综合分析采用不同评价方法所得的评价结果,结合驾驶员对车辆振动特性的评价,可得到以下几点结论:

(1)驾驶员反映车把、座椅等处振动严重,手脚有麻木感,视线模糊,影响驾驶操作,整车存在较为强烈的结构振动噪声1

(2)三轮农用运输车行驶平顺性较差1根据ISO2631的1/3倍频带分别评价标准,当三轮农

用运输车以35km/h的速度在路面条件较好的沥青路面和以30km/h的速度在路面条件较差的砂石路面上行驶时,疲劳—工效降低界限的暴露时间不足1min1

(3)根据ISO2631的1/3倍频带分别评价标准,在常用车速下,由路面激励引起的座椅低频振动决定了疲劳—工效降低界限的暴露时间,而由发动机激励引起的座椅高频振动对三轮农用运输车的行驶平顺性没有影响1当采用总加权值方法进行评价时,座椅高频振动对农用运输车的行驶平顺性有较大影响1

(4)对比分析采用1/3倍频带分别评价方法和总加权值方法对三轮农用运输车行驶平顺性的评价结果,可以看出,两种评价方法所得疲劳降低工效界限的暴露时间比较接近,但采用总加权值方法所确定的暴露时间较高1

图6　飞轮角速度的时间历程

Fig.6　Serialtimeofangularvelocityofflywheel

当车速为8km/h时,发动机的转速约为3120r/min,发动机激振力矩的第1、2、3、4次简

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谐力矩的频率为26Hz、52Hz、78Hz、104Hz1从飞轮角速度的功率谱图中可以看出,在其简谐力矩的频率处都出现明显的振动峰值,而且幅值随简谐次数的增加而变大1用DasyLab对飞轮角速度的功率谱进行进一步处理可得到各阶简谐扭转振动的幅值,该发动机曲轴的第一次简谐扭转振动的幅值达0.012rad,说明单缸柴油发动机扭转振动强烈

1

二是在该发动机常用工作转速范围内,各次简谐扭转振动激振频率远离动力传动系扭转振动的各阶固有频率,不存在简谐共振

1

图9　半轴扭矩功率谱

Fig.9　Powerspectrumoftorqueofhalf2shaft

图7　飞轮角速度的功率谱

Fig.7　Powerspectrumofangularvelocityofflywheel

目前在车辆动力传动系扭转振动特性的研究中,都不考虑低频扭转振动,然而在车辆的实际行驶中,这种低频扭转振动确是客观存在的,从半轴扭矩的功率谱图8中可以看出,半轴扭矩存在振动强度较大的低频振动1对比分析农用运输车在不同车速和路面上行驶时的扭矩频谱可以看出,路面条件越差、车速越高,半轴扭矩谱的低频幅值越大,但在不同行驶工况下,半轴扭转振动低频振动峰值的中心频率基本不变,保持在3.8Hz左右1半轴扭矩的低频振动成分是由于半轴扭转振动与整车振动耦合所导致的,从直观分析主要体现在两方面[5]:第一,车身在路面激励作用下发生垂直振动或纵向角振动时,伴随着驱动轮垂直载荷的变化,导致地面驱动力变化,垂直载荷增加时,驱动扭矩增加;第二,当驱动轮垂直载荷变化时,驱动半径会相应地变化,导致驱动扭矩变化1由此可知,整车振动会同时引起驱动力与驱动半径的变化,半轴扭转振动与整车振动耦合程度的大小将取决于这两个因素综合作用的结果1

目前对车辆动力传动系扭转振动的研究,以轴传动的动力传动系为研究对象,多为台架试验,将作用在发动机曲轴上的周期性激振力矩视为传动系扭转振动的主要激振源,忽略其他激励的影响,认为传动轴和半轴扭矩中的高频振动成分是由发动机扭矩波动引起的1三轮农用运输车采用皮带和联体后桥组合传动方式,与一般车辆动力传动系不同1图8和图9分别为半轴扭矩的时间历程和功率谱图1图9中ρpm为功率谱密度

1

图8　半轴扭矩时间历程

Fig.8　Serialtimeoftorqueofhalf2shaft

4　结论与建议

通过对三轮农用运输车整车振动特性的试验研究,综合上述评价分析可知,在整车振动特性的改善方面,应注意以下几个方面:

(1)根据三轮农用运输车的结构特点和技术条件,设计能有效隔振、可靠性好、成本低廉的发动机悬置系统,降低发动机激励对整车振动特性的影响1

(2)研究皮带传动对动力传动系扭转振动特性的影响,探索整车振动与动力传动系扭转振动

在图9中,发动机各次简谐扭矩对应的频率并未出现明显的振动峰值,这充分说明发动机曲轴上的周期性激振力矩并不是半轴扭转振动的主要激励1发动机曲轴上的周期性激振力矩对半轴扭转振动影响很小,这可能是由于两方面的原因导致的1一是尽管发动机飞轮因单缸柴油机扭矩波动强烈而产生明显的扭振,但由于皮带对高频扭转振动有很强的衰减作用[4],因此发动机曲轴上的周期性激振力矩对半轴扭转振动影响不大1

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方法.

[2]　何渝生.汽车振动学[M].北京:人民交通出版社,

1990.

[3]　余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,

1990.[4]

RobertC.ATheoryontheRelationshipBetweenDriveTrainandBe+lt2DrivenEngineCoolingFanFatigueFailures[J].SAETranscations:7608421[5]　殷涌光.车轴垂直振动与半轴扭振耦合机理的探讨

[J].农业机械学报,1989(4):63-67.

的耦合机理,为动力传动系扭转振动特性的优化提供理论依据1

(3)建立包含动力传动系扭振的整车振动分析模型,全面考虑路面激励和发动机激励的影响,编制计算程序对整车振动进行模拟计算、分析评价和优化设计,改善三轮农用运输车的整车振动特性1

[参　考　文　献]

[1]　GB4970-85.汽车平顺性随机路面输入行驶试验

ExperimentalResearchonVibrationCharacteristics

oftheAgriculturalVehicle

JIANGGuo2ping,WANGGuo2lin,ZHOUKong2kang

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

Abstract:Thearticleintroducesexperimentalresearchonvibrationcharacteristicsoftheagriculturalvehicle.Theroadinputrunningtestsontwokindsoftypicalvillageroadareconducted.Thetestresultsshowtheridecomfortofagriculturalvehicleisveryunsatisfactory.Thehighfrequencyvibrationofthea2griculturalvehicleisseriousduetolackofenginemountingsystem.Engineexcitationandroadexcitationontorsionalvibrationcharacteristicsofpowertrainisdiscussed.Somesuggestionsforimprovementarepro2posed.

Keywords:agriculturalvehicle;ridecomfort;powertrain;torsionalvibration

(责任编辑　王丽伟)(上接第28页)

TheStatusQuoandProspectsofSteelProductsforAutomobile

IndustryfromtheViewpointofEco2materials

LUOXin2min

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

Abstract:Inviewofthedevelopmentofautomobileindustry,therationalutilizationofresourcesandenvironmentalissues,theelementaryconceptsofeco2materialsandtheLCA(LifeCycleAssessment)ofau2tomobileindustryareintroduced1Fromtheviewpointofeco2materialsmetallurgy,thestatusquoandthedevelopingprospectsofsteelproductsforautomobileindustryareemphaticallysynthesized,andthepossi2bilityforeco2materialsofautomobileindustryisdiscussed1Thetrainofthoughtaboutsteelmaterialde2signingbasedonrecycleisspeciallyemphasized1

Keywords:eco2materials;automobileindustry;lifecycleassessment;steelproducts;recycle

(责任编辑　王丽伟)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d5hq.html