基于发动机变速器合装工艺的一阶振动控制研究

李允 汤乐超 陈兵 杨鹏

摘  要：旋转机械的转子由于受材料质量、加工技术、装配工艺等各方面的影响，转子上的质量分布相对于旋转中心线会存在偏差。为解决怠速车内一阶振动大的问题，研究了旋转部件不平衡振动产生机理。通过采用特制动力总成合装滑轨，以及螺母打紧工艺优化，提升了轴系同轴度，大幅改善车内抖动问题。

关键词：动力总成;一阶振动;装配工艺;飞轮;柔性盘

中图分类号：U464      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）02-0047-05

Abstract： Due to the influence of material quality， processing technology and assembly process on the rotor of rotating machinery， the mass distribution on the rotor will be deviated from the center line of rotation. In order to solve the problem of first-order vibration in idle vehicle， study the mechanism of vibration casing by unbalance of rotating parts. Making special sliding track for powertrain assembly and optimizing nut tightening process. The coaxiality of shaft system is improved. The vehicle interior vibration problem improved greatly.

Key Words： Powertrain; 1st Order Vibration; Aassembly Process;  Flywheel; Flexural Disk

汽车怠速座椅导轨振动大小直接影响乘员舒适性，汽车研发中，将怠速时座椅导轨振动作为车辆NVH重要性能指标。动力总成是怠速车内振动主要激励源，动力总成旋转部件不平衡量控制不合理、发动机与变速器装配偏差过大均会导致车内一阶振动大、乘坐舒适性差。

在部件不平衡量和装配对振动的影响方面，国内有大量的分析案例及提高裝配精度的实践。付江华[1]通过控制双质量飞轮动平衡量，解决了动力总成一阶振动大的问题，实现了怠速抽动控制;蒋能强[2]通过控制电机与风机轴承箱联轴器防振圈表面磨损，保证二者的对中精度，解决了大功率鼓风机振动超标报警的问题;唐海军[3]根据多年工作经验，分别阐述了发动机各部件装配对振动的影响，分析了径向偏摆、端面偏摆、装配角度、质点同心度影响因素;潘汉军[4]建立了描述对中误差的参数组，导出百分表读数的表达式，并提出通过采样计算确定联轴器对中偏差的方法。虽然国内学者在部件不平衡量、部件装配影响因素做了较多研究，但是针对动力总成合装工艺对一阶振动影响的定量研究较少。

本文针对整车试生产过程中出现的怠速座椅导轨一阶振动大的问题，对其机理进行分析，通过优化动力总成合装工艺，解决了怠速座椅导轨振动超标问题。

1    不平衡振动机理分析

1.1   概述

旋转机械的转子由于受材料质量、加工技术、装配精度等各方面的影响，转子上的质量分布相对于旋转中心线不可能绝对轴对称，因此任何一个转子不能做到“绝对平衡”，转子质量中心和旋转中心线之间总是有一定的偏心距存在，这就使得转子旋转时形成周期性的离心力干扰，使整机发生振动。根据转子不平衡类型，可以分为两种情况[5]：质心偏离旋转中心产生离心力，质心、几何中心和旋转中心都不重合产生离心力。

1.2   质心偏离旋转中心

假设轴的几何中心与旋转中心重合，而仅仅是质心偏离，如图1所示。

当轴绕几何中心旋转时，产生的离心力为：

式中，m 为轴的质量，r 为质心线偏离几何中心的距离，w 为旋转角速度。从式（1）可知，离心力与质量、质心偏离几何中心线的距离成正比，与转速的平方成正比。在影响离心力的三个因素中，质量 m 和离心距离 r 由几何参数和制造误差等因素决定，这两者都是静态因素，通常将质量 m 和离心距离 r 的乘积 mr 表示静态不平衡的大小，单位是 g·cm。转速是影响离心力的动态因素，转速越高，其离心力按平方指数增加。

1.3   质心、几何中心和旋转中心都不重合

图2表示旋转机械质心、几何中心和旋转中心都不重合的截面图，几何中心偏离旋转中心的距离是 e ，其矢量方向相对 x 轴的角度是 θ 。质心偏离几何中心的距离是 r ，其矢量方向相对 x 轴的角度是 wt 。质心对旋转中心的向量为：

对式（2）两次微分后，就得到了质心的加速度：

2    怠速座椅导轨振动优化

2.1   问题分析

某车型试生产阶段，部分车辆怠速抖动严重，对新下线的18辆车进行评价，不可接受车辆为8台，不合格率为44%。测量问题车辆座椅导轨振动，试验结果如图3所示。

该车为动力总成横置前驱，配置四缸直列发动机，怠速发动机转速为700 r/min。由图3可知，座椅导轨振动速度存在两个峰值，频率为11.7 Hz、23.3 Hz，分别对应发动机的一阶和二阶。

通常情况下，四缸发动机主要激励成分为二阶、四阶等阶次。该车发动机一阶振动较大，幅值与二阶振动相当。初步判断动力总成部件不平衡量或者装配偏差过大，导致怠速车内抖动问题。

2.2   动力总成不平衡分布分析

怠速时，动力总成参与传递扭矩的旋转部件为曲轴、飞轮、扭转减振器，如图4所示。根据旋转部件不平衡产生类型，该系统不平衡来自两方面，一是曲轴、飞轮、扭转减振器等部件质心线偏离旋转中心，二是飞轮与扭转减振器装配引起的几何中心偏离旋转中心。

调查相关部件不平衡量分布情况，见表1。扭转减振器不平衡量约占整个系统不平衡量的85%，在整个系统中占比最大，是引起一阶振动的关键部件。为确定扭转减振器是否为引起怠速抖动的主要原因，在问题车上换装不同的扭转减振器，验证扭转减振器不平衡量对座椅导轨振动的影响，验证方案及结果如表2所示：

从表2可知，总体上扭转减振器不平衡量越小，车内座椅导轨一阶振动越小。扭转减振器不平衡量与座椅导轨一阶振动速度对应关系如图5所示，方案1～方案4扭转减振器不平衡量与座椅导轨一阶振动速度基本成正比，以方案1～方案4各点分布做趋势线，各点均分布在趋势线附近，拟合度高，呈线性分布。方案5与其余4个方案偏离较大。

从不平衡振动形成机理分析，方案1～方案4扭转减振器不平衡量与座椅导轨一阶振动成正比，是形成座椅导轨一阶振动主要因素，属于“质心偏离旋转中心”转子不平衡类型;方案5座椅导轨一阶振动值明显偏离趋势线，高于趋势值约2.4倍，一阶振动速度除受扭转减振器不平衡影响外，几何中心与旋转中心不重合的影响更加突出，属于“质心、几何中心和旋转中心都不重合”转子不平衡类型。

2.3    动力总成装配工艺优化

该车发动机及变速器装配端面如图6和图7所示，飞轮上有6个直孔，扭转减振器柔性盘上6个螺栓穿过6个直孔，用螺母在飞轮背面紧固，实现发动机飞轮和变速器扭转减振器配合。发动机和变速器壳体上有定位销和孔，保证连接螺栓紧固前发动机曲轴飞轮和扭转减振器同轴度。

动力总成合装采用吊装工艺，示意图见图8.a，发动机固定在流水线托盘上，裝配人员用吊钩将变速器置于发动机飞轮附近，手动调整变速器位置，将变速器柔性盘螺栓与发动机飞轮螺栓孔对中、合装，然后依次将6个螺母打紧。

吊装工艺存在两个风险：（1）手动对中、合装无法保证柔性盘螺栓顺利穿过飞轮螺栓孔，螺栓与螺纹孔或者飞轮端面磕碰，将导致柔性盘受力使扭转减振器平面轴承偏斜，破坏轴系同轴度;（2）紧固螺母依次打紧，使柔性盘局部受力，同样使扭转减振器平面轴承偏斜。装配引起的扭转减振器平面轴承偏斜，破坏轴系同轴度，导致扭转减振器不平衡量增大。且该过程不可逆，扭转减振器一经使用，不平衡量将无法恢复到使用前的状态。

针对以上两个风险，制定了两个措施：（1）特制动力总成合装滑轨，将变速器置于滑轨上，见图8.b，可保证柔性盘螺栓与飞轮直孔对中精度，合装过程避免柔性盘受力;（2）螺栓打紧采用先预紧后紧固的工艺顺序，预紧和紧固均按对角打紧的工艺顺序，保证装配时柔性盘受力均匀。

在生产线逐步体现动力总成合装工艺优化措施，跟踪验证，座椅导轨一阶振动值及平均值见图9。其中，方案1#为原8台问题车座椅振动平均值，方案2#和方案3#为10台新下线车座椅导轨振动值。动力总成合装工艺优化后，座椅导轨一阶振动速度平均值从0.76mm/s降低到0.15mm/s。通过优化装配工艺，提高旋转系统轴系同轴度，是控制一阶振动重要途径之一。

3     结论

本文针对怠速车内一阶振动大的问题，研究了旋转部件不平衡振动产生机理。通过对动力总成旋转部件不平衡量的调查分析以及对多种规格不平衡量的扭转减振器进行装配验证，将问题锁定在动力总成装配工艺不合理，导致轴系同轴度过大。通过采用特制动力总成合装滑轨以及螺母打紧工艺优化，提高轴系同轴度，大幅改善了车内抖动问题，为同类问题的解决提供了参考。

参考文献：

[1]付江华，庞剑等.动力总成传动系统动不平衡引起的怠速抽动研究[C]，2014年中国汽车工程学会年会论文集，2014：1336-1338.

[2]蒋能强，任海峰等.联轴器防振圈失效引起设备不对中案例分析[J]，设备管理与维修，2019（5）：115 -116.

[3]唐海军，田波等.浅析涡轮部件装配对燃气涡轮发动机振动的影响[C]，第十五届中国科协年会第13分会场：航空发动机设计、制造与应用技术讨论会论文集，2013.

[4]潘汉军，刘娅.联轴器对中误差的分析与测量[J]，设备与安装技术，2004，133（2）：1-4.

[5]庞剑等，汽车噪声与振动—理论与应用[M]，北京：北京理工大学出版社，2006.