Вибрации трансмиссии

Третий основной источник возбуждения вибраций в автомобиле возникает от вращающейся трансмиссии. В то время как трансмиссией часто считается всё, начиная от двигателя до ведущих колёс, при обсуждении комплекс двигателя/трансмиссии будет рассматриваться отдельно.

В целях обсуждения, трансмиссия, следовательно, состоит из универсального шарнира, редуктора и дифференциала в ведущем мосте и полуосей моста, соединённых с колёсами. Из этих различных компонентов, универсальный шарнир с шлицевыми и карданными шарнирами имеет наибольший потенциал для возбуждения вибраций при езде. Редуктор задней оси и остальная часть трансмиссии также способны генерировать вибрации, шумоподобные по природе, в результате реакций сопряжения передачи и вибрации при кручении вдоль трансмиссии. Тем не менее, они обычно происходят на частотах выше тех, которые рассматриваются как обычные при езде.

Наиболее часто возникающие при езде вибрации связаны с приводным валом. Приводной вал, как правило, расположен, как показано на Рисунке 5.9 [21]. На заднеприводных легковых автомобилях и грузовиках с короткой колёсной базой обычно используется одноколенчатый вал, в то время как на грузовиках с длинной колёсной базой и автобусах часто требуется вал из нескольких частей, поддерживаемых промежуточным подшипником. Вибрации в транспортном средстве возникают непосредственно из двух источников - дисбаланса массы оборудования приводного вала, и вторичных сил, или моментов, воздействующих на приводной вал из-за угла в крестовине приводного вала [22,23].

Рис. 5.9. Устройство типичных приводных валов [39].

Дисбаланс масс - дисбаланс приводного вала может быть результатом комбинации любых из пяти следующих факторов:

1)    Асимметрия вращающихся частей

2)    Вал может быть вне центра своих опорных фланцев или шарнирного соединения

3)    Вал может быть не прямым

4)    Рабочие зазоры могут позволить валу вращаться не по центру

5)    Вал является упругим элементом и может прогибаться

Начальный дисбаланс существует как результат асимметрии, биений и расшатанности в устройстве. Дисбаланс создаёт вращающийся вектор силы, прикладывающий, таким образом, силы к поддерживающим креплениям как в вертикальном, так и поперечном направлениях. Силы в переднем креплении передаются на коробку передач. Силы в заднем действуют прямо на ведущую ось. На грузовиках, где применяются промежуточные опоры, силы могут быть приложены к раме с помощью поперечин в этих точках. Сила вращается со скоростью вала, которая всегда равна скорости вращения колеса, умноженной на передаточное отношение редуктора ведущего моста, и равна частоте вращения двигателя при прямой передаче. Таким образом, она проявляется как гармоника колеса, значение которой равно передаточному отношению в редукторе задней оси.

В целом, величина силы вибрации эквивалентна произведению дисбаланса и квадрата скорости вращения. Однако, поскольку вал упругий, он может согнуться в ответ на силу дисбаланса, создавая дополнительную асимметрию, и увеличить "динамический" дисбаланс. В результате видимая величина дисбаланса может изменяться со скоростью, и в теории вал может быть динамически сбалансирован только для одной скорости [23].

Вторичные силы - Использование универсального шарнира в трансмиссии открывает путь для генерации сил вибрации при езде, где они приложены под углом из-за создания вторичных сил. Величину и направление вторичной силы можно определить простым суммированием векторов крутящего момента в универсальном соединении, как показано на Рисунке 5.10.

Рис. 5.10. Действие крутящего момента, создающее вторичную силу.

Величина вторичного крутящего момента пропорциональна крутящему моменту, приложенному к трансмиссии, и углу универсального соединения. Если крутящий момент изменяется при вращении за счёт пульсаций крутящего момента двигателя и/или непостоянной скорости вращения соединений, вторичная сила будет меняться соответственно. Вторичная сила реагирует как силы в точках крепления трансмиссии к коробке передач, поперечинах, поддерживающих промежуточные опоры трансмиссии, и в задней оси. Таким образом, эти силы зависят от вращения трансмиссии и прикладывают к транспортному средству силы, возбуждающие вибрации [22].

Когда используются универсальные шарниры с крестовиной (Кардана или Гука) и работают под углом, они являются прямым источником пульсаций крутящего момента в трансмиссии [40]. Эти соединения не имеют постоянного отношения между входной и выходной скоростью при работе под углом, а должны удовлетворять уравнению:

(5-6)

где:

ωo = Выходная скорость

ωi = Входная скорость

θ = Угол универсального соединения

β = Угол вращения ведущей крестовины

Поскольку в знаменателе находится член "sin2β", изменение скорости достигает максимума дважды за один оборот (при 90 и 270 градусах). Таким образом, в результате симметрии крестовины вокруг каждого рычага возникает вторая гармоника колебания скорости. Из приведённого выше уравнения можно показать, что максимальное колебание скорости изменяется вместе с углом:

(5-7)

Из-за жёсткости трансмиссии и ускорений, которые она испытывает, колебания крутящего момента обязательно будут связаны с колебаниями скорости. Это может привести к возбуждению крутильных колебаний в трансмиссии, а также быть источником сил возбуждения вибраций при поездке на транспортном средстве. Это возбуждение происходит на второй гармонике скорости трансмиссии и будет меняться в зависимости от величины крутящего момента в трансмиссии. Возбуждение от вторичной силы может быть минимизировано надлежащей конструкцией трансмиссии - поддержания параллельными осей вала при выходе из коробки передач и входном вале задней оси, правильная фазировка соединений и сохранение углов в пределах рекомендованных производителями [21, 22, 23].

Колебания крутящего момента могут также непосредственно воздействовать на коробку передач и задний мост. Изменения крутящего момента на оси будет изменять движущие силы, приложенные к земле, и, следовательно, могут непосредственно приводить к генерации продольных колебаний в транспортном средстве. Колебания крутящего момента в коробке передач создают вибрации в направлении крена на двигателе/коробке передач в сборе. В частности, на эти колебания должны реагировать монтажные точки на кузове и, таким образом, они имеют прямой путь к внутреннему салону.

Рисунок 5.11 иллюстрирует характер вибраций, которые могут быть получены в результате неоднородностей в трансмиссии и шине/колесе. В этом случае ускорения были измерены в кабине грузовика в тщательно контролируемых условиях (например, грузовик двигался по гладкой дороге для подавления фоновых вибраций, которые могли бы маскировать ожидаемые эффекты, а все шины/колёса в сборе, за исключением одного, были тщательно отбалансированы при монтаже, чтобы достичь отсутствие вибраций  в шинах/колёсах).

Рис. 5.11. Спектральная карта колебаний, возникающих от неоднородностей трансмиссии и шины/колеса.

На рисунке показана карта спектра колебаний, измеренного на разных скоростях транспортного средства. Вибрации, исходящие от шины/колеса, отображаются в виде гребней в спектре, двигаясь к более высокой частоты по мере увеличения скорости. На этом спектре явно видны первая, вторая и высшие гармоники сборки шины/колеса. Пик на частоте в 3.7 раза большей скорости вращения колеса соответствует первой гармонике трансмиссии, которая связана с дисбалансом приводного вала и других компонентов, вращающихся на этой скорости. Вторая гармоника трансмиссии, в 7.4 раза превышающая скорость вращения колес, является результатом колебаний крутящего момента приводного вала, которые возникают из колебаний скорости, вызванных рабочими углами крестовин универсальных шарниров.

Эти или похожие вибрации от колёс и трансмиссии всегда будут присутствовать на транспортном средстве, но часто их трудно распознать в сложном спектре, который включает значительные вибрации из-за неровности дороги. Тем не менее, они являются одним из факторов, влияющих на общий спектр вибраций при езде и представляют собой одну из областей, в которой тщательная разработка может улучшить окружающую среду транспортного средства при движении.