扭振测量与分析
18页1、扭振测量和QTV介绍 1. 引言噪声及振动问题,在旋转部件开发中,是一个必须充分重视的因素。就车辆而言,旋转机械或旋转部件包括:发动机(引擎),动力传动系, 变速装置, 压缩机和泵 等等。对它们的动力特性, 必须了解得非常透彻, 力图实现宁静、平顺、安全地运转。通常, 对线振动和角振动的测量和分析, 是分头进行的。旋转件横向振动的测量方法, 是大家熟悉的,研究得已经比较透彻,为了充分把握结构的动力特性, 通常会实施多通道并行的测量和分析。而扭振测量则需使用专门的设备, 它们一般并不集成在一总体动力学测试系统内。2. 扭振的“源传导接收”模型研究动力学问题的一般方法,是建立所谓“源传导接收”模型(图1)。在某一部位(接收部位)观测到的响应,视为由源和源在结构上沿某途径传导产生的效果。由于结构的共振或振效应,源可能在传导过程中被放大或者被衰减。此外,它们可能沿多个不同途径,传导至接收部位。图1 扭振的“源传导接收”模型接收部位或响应部位的振动,通常是刚体运动伴随柔体运动的复合现象。前者一般不产生交变应力,后者则会引起交变应力,并成为某种耐久性问题的根源。传递途径分析(TPA)涉及到某接收部
2、位对源的干扰,这种干扰经由其可能的传导途径,并依赖于传导途径固有的动力学特性,影响整个结构的响应。用同样的方法,我们来研究扭转振动。先是有一个“源”,譬如说,发动机给出的交变输入力矩。力矩传递过程,牵涉到轴系、齿轮传动系或皮带传动系等的动力特性。最终表现出来的,是旋转件的转速变化。如果沿整个轴,各部位的转速变化都是相同的、一致的,那么在严格的意义上,这不能算作是扭振,仅仅只是转速在变罢了(这相当于线振动分析中的刚体模态)。仅当沿轴不同部位检测到的转速增量有幅值和相位的相对变化时,扭振才确实发生了。当激励频率接近于扭振谐振频率时,会导致旋转件产生很大的内应力。如果未设置专门的监测设备,就有可能发生严重的耐久性问题。习惯上,凡是在平均转速上、下发生得转速波动,都被称之为扭转振动,无论转轴的不同截面之间是否真正存在相对扭转。注意, 转矩变化或转速变化,不能只看到表面现象。实际上,旋转件之间传递的力和力矩,只是机械载荷的一部分。而发生的机械振动和噪声,也应视为动力载荷的另一部分。下面几点,请大家关注:l 扭振只是结构动力特性的一个局部命题。l 扭振和转轴横向振动往往同时发生。l 扭振不仅关系到
3、结构的耐久性问题,而且关系到车辆的振动、噪声、舒适性以及其它方面的性能问题。扭振源之一 往复式发动机往复式发动机大概是大多数扭振问题的根源所在。曲轴旋转过程中,燃气压力不断变化,从而引起作用于曲轴的平均力矩和交变的力矩分量。(见图2)另外,诸如活塞、连杆等运动部件的惯性力,也会引起作用于曲轴的变扭矩。这两种作用力,合成一不规则的扭矩,从而引起转速的变化,在好的发动机设计中,这种转速变化通过采用惯性飞轮和扭振减振器等特殊部件,得到尽最大可能的平滑。即便在稳定的工作状态下,也会存在某些附加的扭振变化。有许多正常的、或非正常的现象可能诱发扭振振动。譬如:气缸失火,发动机起停,以及哪怕是不太大的载荷变化等等。由于往复式发动机用于广泛的工业部门,从而扭振问题也就受到这诸多部门的关心和重视。采用往复式发动机的设备有:轿车,载重车,采用柴油发动机的大型船只,轻型游乐船,各种动力设备,直升飞机,等等。图2 不同转速下,随曲柄角位移变化的燃气压力举例纵坐标:燃气压力;横坐标:曲柄角位移。WOT(油门大开)状态3. 扭振源之二 传动系除了发动机, 扭振也可能在传动系的其它部位发生或放大。虎克万向节或卡尔丹
4、万向节,一种变换转速的设计,其传动比与万向节所联接轴之间的夹角有关。对于双万向节联接情况,如果输入轴与输出轴是平行的,那么轴端的扭振应当可以消除掉。然而,如果失调的话,仍可能产生扭振。对变速箱而言,齿轮的质量至为重要,齿轮啮合不良,可产生大的接触力,啮合力的顺序变化,可导致扭矩和转速的变化。离合器也必须有良好的设计,以降低扭振的风险。操纵离合器时,产生的周期性扭矩变化,会引起离合器震颤,其固有频率与传动系从离合器动力分离时的固有频率相接近。震颤作为车辆沿纵向的振动,通过各工作部件传递到司机坐椅上。它还可能作为一种内部噪声被感觉出来。离合器脱开和接合时发生的撞击,会引起踏板作低频振动,这使得踏板移位时间变长,并伴随恼人的噪声。对转轴本身,也必须经过精心的设计,以保证其扭振谐振频率不至于和发动机的工作范围发生严重冲突。扭矩的变化,不但有可能激发扭振的谐振,而且可能激发弯曲振动的谐振。最后,传动皮带的谐振,也会引起它所驱动的皮带轮产生转速变化;而转速的变化,会引起皮带张力的变化,甚至出现皮带打滑的现象。对于变速箱,扭振可导致不同类型的问题。例如,齿轮whine(唔唔作响),是动力齿轮副由于扭
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