汽車驅(qū)動后橋NVH分析及優(yōu)化

過亮

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

通常來說，汽車的振動和噪聲主要來自于車身和底盤兩個部分。其中，我國大部分科研人員對汽車車身的NVH研究比較多，因此，我國汽車制造行業(yè)對車身NVH的衡量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計優(yōu)化手段體系都相對完善。相比之下，對汽車底盤NVH的研究內(nèi)容顯得比較匱乏。汽車驅(qū)動后橋既是振動的來源之一，又是汽車傳動結(jié)構(gòu)的重要組成部分，后橋NVH性能的好壞對汽車的使用性能和壽命影響很大。通過網(wǎng)上查閱國內(nèi)外對汽車后橋NVH的研究成果，我們發(fā)現(xiàn)汽車后橋噪聲主要產(chǎn)生于后橋主錐齒輪和軸承的振動。除此之外，汽車的驅(qū)動后橋上與汽車懸架連接，下與汽車輪胎相連，后橋作為汽車的中間結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行的過程中會受到車身的變形和路況變化的影響。汽車運(yùn)行時，當(dāng)后橋結(jié)構(gòu)的振動頻率與車身的振動頻率一致時，就會產(chǎn)生共振，從而使汽車產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲，這會給汽車的使用舒適性和運(yùn)行的平穩(wěn)性帶來不好的影響。從這個方面來說，加大對汽車后橋的NVH研究意義重大。

1 汽車驅(qū)動后橋噪聲機(jī)理

1.1 齒輪振動噪聲機(jī)理

汽車后橋中振動與噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪振動。一般而言，齒輪的動態(tài)激勵包括內(nèi)部激勵和外部激勵兩個方面。其中，齒輪的內(nèi)部激勵是指由于齒輪之間嚙合而產(chǎn)生的激勵；齒輪的外部激勵則是指除齒輪外的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的激勵，比如由于發(fā)動機(jī)的振動和軸的不平衡而產(chǎn)生的激勵。根據(jù)齒輪傳動的原理，齒輪在嚙合的法線方向相對轉(zhuǎn)速為零，在嚙合點的切線方向有相對滑動速度。嚙合點切向的速度在齒輪旋轉(zhuǎn)的過程中總是呈先減小后增大的趨勢，這也使得摩擦力的方向呈現(xiàn)出周期性變化。

1.2 軸承振動噪聲機(jī)理

汽車的驅(qū)動后橋中共有兩對圓錐滾子軸承，它們都安裝在變速器中。圓錐滾子軸承的主要特點是在運(yùn)行時其外圈固定，內(nèi)圈隨汽車傳動軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。軸承部分的振動和噪聲也來自于內(nèi)部和外部的振動激勵。其中，軸承的外部激勵主要是因軸的動不平衡和齒輪的嚙合不良產(chǎn)生的，內(nèi)部激勵則是由于軸承自身的裝配不好和磨損產(chǎn)生的。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，雖然軸承外圈固定，但是滾動體跟隨軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。滾動體的受力大小和方向都是周期性的，在不同的嚙合點，軸承的承力大小、方向以及參與承力的數(shù)目都不一樣。這些都是導(dǎo)致軸承剛度變化的因素，這些因素的存在是無法避免的。

1.3 半軸振動噪聲機(jī)理

汽車驅(qū)動后橋中半軸的振動和噪聲主要來自于外部激勵和少部分的內(nèi)部激勵。其中，內(nèi)部激勵是由于軸的靜不平衡產(chǎn)生的。在汽車后橋半軸前、后端都分布有很多激勵源，因此，半軸振動和噪聲的產(chǎn)生主要來源于半軸的外部激勵，這其中就包含發(fā)動機(jī)激勵、傳動軸的彎曲激勵、齒輪激勵、軸承激勵等因素。由于半軸布置在驅(qū)動后橋的內(nèi)部，因此其產(chǎn)生的振動和噪聲通過軸承傳遞出來以后就顯得比較小。

2 汽車車身NVH性能的優(yōu)化設(shè)計要點

2.1 提高頂蓋模態(tài)頻率

通常，在汽車生產(chǎn)車間會存在底盤橫梁與頂蓋間隙過大、黏膠效果不好等現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，我們進(jìn)行了深入的研究并制定出兩種可以提高頂蓋模態(tài)的方案：①采用彈性模量較高的黏膠。通過采用這種方案可以使頂蓋模態(tài)達(dá)到33 Hz，但是這種方案存在弊端，即用黏膠固定頂蓋會造成其容易變形，因此這種方案很少采用。②增加橫梁高度，以提高其剛度。這種方案也可以使頂蓋模態(tài)分析值達(dá)到33 Hz。

2.2 調(diào)整發(fā)動機(jī)懸置剛度

通過對不同試制階段的車輛進(jìn)行NVH測試，我們可以發(fā)現(xiàn)試制階段二的NVH比試制階段一要高。實驗分析結(jié)果表明，試制階段的發(fā)動機(jī)隔振率達(dá)到90%，即表示發(fā)動機(jī)部分90%以上的振動都能夠被隔離，符合性能要求。

2.3 車身地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

消除汽車車身地板結(jié)構(gòu)劇烈振動和噪聲的最好方法是改變地板后部結(jié)構(gòu)的振動頻率，使其與傳動軸和發(fā)動機(jī)的工作激勵頻率錯開。為了對地板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，首先要對地板模態(tài)進(jìn)行靈敏度分析。

基于對降低成本和簡化工藝的考慮，可以嘗試增加汽車后部的地板厚度，并且在汽車的后部橫梁之間加裝一根與車架寬度相等的橫梁，橫梁的截面形狀必須與汽車原有的橫梁形狀一致。這樣不僅可以大大提高汽車整體強(qiáng)度，還可以減少由于發(fā)動機(jī)和傳動軸造成的地板振動。通過實踐發(fā)現(xiàn)，對汽車地板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計可以有效地改善汽車的NVH性能。

2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)I-sight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車結(jié)構(gòu)中最重要最復(fù)雜的部分。為了改善汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH性能，必須綜合考慮模態(tài)性能、結(jié)構(gòu)剛度、車身結(jié)構(gòu)振動傳遞函數(shù)等。從這個層面上來講，將多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)運(yùn)用到對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能改善的研究中就顯得尤為重要。在這項技術(shù)中，由于優(yōu)化對象和目標(biāo)明確且單一，因此總會存在唯一的優(yōu)化解。優(yōu)化過程中可以把鈑金件的厚度作為設(shè)計變量，并以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕量化為目標(biāo)，以汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階彎曲模態(tài)合剛度為約束條件。I-sight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的操作過程如下：①在有限元軟件中建立汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有限元模型；②確定實驗初始的設(shè)計變量，并運(yùn)用PS方法進(jìn)行靈敏度測試；③采集有效的數(shù)據(jù)信息，并利用最小二乘法構(gòu)建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)面近似模型；④采用連續(xù)二次規(guī)劃方法（SQP）進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化求解，最終使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不增加成本的情況下各項性能達(dá)到最優(yōu)。通過上述操作就可以實現(xiàn)改善汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能的目標(biāo)。

3 結(jié)論

綜上所述，汽車的NVH特性與車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和汽車的零部件結(jié)構(gòu)有著極大的聯(lián)系，設(shè)計人員應(yīng)該通過具體地分析振動原因提出解決措施。為了提高汽車的使用性能和滿足用戶的使用要求，對汽車NVH特性的研究要綜合運(yùn)用各領(lǐng)域的先進(jìn)學(xué)科知識和理念。只有在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上提高自主研發(fā)能力，才能不斷地設(shè)計出性能優(yōu)良的汽車。

［1］毛世偉，李光明，陳富強(qiáng).NVH測試在汽車后橋異響噪聲源分析中的應(yīng)用［J］.汽車工程師，2011（11）：40-42.

［2］李玲.某商務(wù)車M100NVH特性的分析與改進(jìn)［D］.長沙：湖南大學(xué)，2015.

［3］楊明亮.汽車動力總成懸置系統(tǒng)NVH性能分析及改進(jìn)設(shè)計［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.