某后驅SUV扶手箱抖動問題分析與控制

趙紅飛 呂兆平 周湘 韋寧

摘? 要：針對某后驅SUV在發動機高轉速時出現的扶手箱抖動問題，利用LMS Test.lab測試分析數據得出傳動軸旋轉振動引起中間支撐剛體模態與動力總成剛體模態耦合導致共振而產生;并通過LMS Virtual lab動力學仿真改變傳動軸中間支撐橡膠剛度從而達到移頻的效果，并最終通過實車驗證使該問題得以解決控制。

關鍵詞：傳動軸;剛體模態;模態耦合;NVH

中圖分類號：U463.21? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0033-04

Abstract： Aiming at the problem of the armrest box jitter of a rear-drive SUV at high engine speed， the LMS Test.lab test analysis data is used to obtain that the rotational vibration of the propeller shaft causes the intermediate support rigid body mode to be coupled with the rigid assembly of the powertrain to cause resonance; And through the LMS Virtual lab dynamic simulation to change the stiffness of the middle support rubber of the propeller shaft to achieve the effect of frequency shift， and finally through the real vehicle verification to solve the problem.

Key Words： Propeller shaft; Rigid body mode; Modal coupling; NVH

隨著人們對整車舒適性要求的提高，振動與噪聲與舒適性要求成為汽車設計最重要的指標之一。因此，振動和噪聲控制作為汽車設計制造的一個重要方面，受到了各主機廠的重視。后驅汽車傳動系統在工作時會產生非常明顯的振動和噪聲，在車輛行駛過程中，由傳動軸本身彎曲和扭轉振動而激起車內明顯的振動和噪聲很容易被乘員識別，導致客戶及售后部門的嚴重抱怨。

傳動軸工作性能的穩定性對后驅車型的NVH有著十分重要的影響，早期的傳動軸動力學研究主要以不考慮剪切變形的Rayleigh梁-軸模型和考慮剪切變形的Timoshenko模型[1]為主。后續研究逐漸采用有限元模型對傳動軸橫向彎曲振動進行模擬，計算傳動軸的橫向彎曲振動固有頻率和振型[2]。齊海政等人指出傳動軸的中間支承剛度是汽車傳動系統振動特性的建模分析的關鍵參數之一[3]。為了達到良好的隔振效果，應該使激勵頻率與系統的固有頻率之比大于2[4]。目前國內的傳動軸NVH研究已在系統級分析中取得較大進步，但是從整車NVH管控出發，系統級的分析仍然忽略了其他系統對傳動軸振動的影響，邊界條件與整車狀態下的傳動軸工作過程存在差異。

本文針對某前置后驅SUV采用的兩段式傳動軸旋轉抖動而造成中間支撐剛體模態和動力總成剛體模態耦合引起的扶手箱振動異響問題，利用專業軟件搭建整車級的傳動系統分析模型，充分考慮路面激勵與負載變化對傳動軸振動特性的影響，進行分析而確定振動及異響的原因。通過調整動力傳動系統的模態分布，使得傳動軸中間支撐的固有頻率避開動力總成剛體模態，實車測試結果表明，改善效果明顯。

1? ? 傳動軸的工作原理

汽車傳動軸總成一般由萬向節、傳動軸和中間支撐組成。對于長軸距汽車，常常將傳動軸分段（兩段或三段），目的在于縮短每一段的長度，提高剛度，從而提高傳動軸的臨界轉速。兩段式傳動軸的前后兩段傳動軸中間需要增加帶有橡膠隔振的中間支撐，以減小傳動軸角度方向和軸向的安裝誤差以及發動機、懸架等彈性懸置在汽車行駛過程中所引起的角位移和線位移[5]。

目前大多數中間支撐采用埋在橡膠彈性元件中的單列求軸承型式，如圖1所示。該支撐主要用于承受傳動軸不平衡、偏心等因素引起的徑向力，而不能傳遞軸向力，但可承受萬向節上的附加彎矩引起的徑向力。

傳動軸總成主要用于在車輛行駛過程中，相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動。

汽車傳動軸設計應滿足如下基本要求：

（1）保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內變動時，能可靠地傳遞動力;

（2）保證所連接兩軸盡可能等速運轉;

（3）由于萬向節夾角而產生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內;

（4）傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，制造方便，維修容易等[6]。

2? ? 故障問題描述及分析

2.1? ?故障問題描述

發動機的激勵、傳動系統的扭矩波動、傳動軸的動不平衡、萬向節產生的附加彎矩、中間支撐剛度過軟或者過硬等因素均能引起傳動系統的振動異響，影響車內乘員的舒適性，降低顧客的感知度。

本文中，某前置后驅SUV在進行路試評價時，發現在2、3、4檔高轉速時（發動機轉速為3800轉附近）扶手箱處的振動比較大，同時伴有哐哐的異響，嚴重影響了乘坐舒適性，需要研究其機理并改善相應的NVH問題。

該車涉及到傳動系統配置為三等速萬向節傳動軸+獨立主減。傳動軸示意圖如圖2所示：

2.2? ?主觀評價及測試分析

通過主觀評價發現：在車輛中部此噪聲較明顯，且與發動機轉速、變速器擋位無關，僅與車速相關。初步判斷此噪聲可能存在的問題源頭在傳動軸、后懸掛、輪胎等。

在駕駛員右耳處布置麥克風，并在扶手箱、傳動軸中間支撐處布置測點，在平直道路上進行3檔WOT測試。

通過對測試數據進行分析，扶手箱處存在13Hz及其倍頻的振動峰值（圖3），且與傳動軸中間支撐處的寬頻沖擊相對應（圖4）。

進而判斷該問題可能是因為傳動軸中間支撐模態過低與動力總成剛體模態耦合導致。為驗證此設想，分別進行了傳動軸中間支撐模態測試以及動力總成剛體模態測試。在整車上進行中間支撐模態測試，測得中間支撐模態為13Hz，不滿足NVH子系統目標要求（25～30Hz）。測試結果見圖5：

在整車上測試動力總成的剛體模態，測得動力總成各階剛體模態見表1所示，從表中可知繞X軸轉動的模態13.25Hz與傳動軸中間支撐模態13Hz非常接近，容易模態耦合，從而確定其為扶手箱振動異響的主要原因。

3? ? 方案制定

3.1? ?方案研究

基于主觀評價及測試分析，為了實現的動力傳動系統的剛體模態避頻，本文通過virtual lab motion 軟件搭建了該車型動力底盤系統的動力學模型。

該模型涵蓋了動力系統、傳動系統、底盤系統以及簡易車身系統、模擬路面的轉鼓系統。可以用于模擬汽車的行駛工況，以及不同負載下的動力底盤系統剛體模態。

模型的主要拓撲關系可參考圖7至圖9。

模型搭建后，將分析類型設置為“DYNAMIC”，并且勾選“Linearization”線性化分析，輸出“Eigenvectors”。分析結果如圖10所示，中間支承處的剛體模態為13.26Hz，計算結果與實際測試值僅相差0.26Hz（表2），誤差為2%，可認為該模型可以作為解決該問題的參考模型。

經分析可知，動力總成fry模態與傳動軸中間支承模態的間隔僅為0.13Hz，會產生模態耦合。當傳動軸中間支撐模態與其他部件模態耦合發生共振時，可以采取的控制策略是把兩者的模態頻率避開，由于動力總成剛體模態頻率范圍一般要求設計在發動機怠速隔振頻率以下，本車怠速空載轉速為750rpm，按隔振要求剛體模態頻率要求小于25Hz，因此要把傳動軸中間支撐模態至少提升到28Hz以上才能解決問題。提升模態的方法有兩種：一是提升中間支撐橡膠的徑向剛度，二是降低中間支撐所支撐傳動軸的質量，本文采用提升中間支撐徑向剛度的辦法來驗證此振動異響問題。將中間支撐剛度分別設置為30、35、43N/mm（靜剛度），動靜比按照1.5進行計算，對這三種方案進行仿真分析得到中間支撐模態如表3所示：

3.2? ?方案驗證

對剛度43方案進行3擋全油門測試，與故障車扶手箱處振動頻譜進行對比（圖11），可以看出共振問題不再現。

原車傳動軸中間支撐振動數據對比

4? ? 結語

在某特定車速下，傳動軸旋轉頻率達到中間支撐固有頻率而產生的共振是無法避免的，在設計時要使中間支撐固有頻率盡可能避開關鍵子系統固有模態，避免二者耦合導致車內NVH變差。本文通過調整中間支撐橡膠剛度，避開了與動力總成剛體模態耦合，解決了扶手箱振動異響問題。該問題分析及解決方案可供NVH工程師在解決相關問題時提供借鑒。

參考文獻：

[1]張文.轉子動力學理論基礎[M].北京：科學出版社，1990，38-43，206-208.

[2]高云凱.汽車動力總成彎曲振動及其控制方法的有限元分析與試驗研究[J].吉林工業大學，1995，26（4）：6-9.

[3]齊海政.高品質商用車動力學建模關鍵問題研究[J].吉林大學，2011，84-88.

[4]胡乃杰.黃波.微車用傳動軸中間支撐的剛度分析與改進.機床與液壓，2011.

[5]B.海興，M.埃爾斯（著）.孫鵬（譯）.汽車底盤手冊[M].機械工業出版社，2012. 1.

[6]朱衛兵，陳微微，謝珍蘭.傳動軸引起的車內噪聲研究與解決[J].裝備制造技術，2012.11.