傳動軸支架隔振理論及典型案例分析

凌新新，蔣敏，龍家樂，彭軍軍

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車的功能需求逐年增多，對各方面性能要求也越來越高。噪聲是汽車駕駛時(shí)乘員比較容易感知、非常重要的整車性能指標(biāo)之一，噪聲嚴(yán)重影響乘員舒適性，同時(shí)容易使駕駛員產(chǎn)生情緒波動、加速駕駛員疲勞，對汽車行駛安全性構(gòu)成極大威脅，因此，優(yōu)化車內(nèi)噪聲問題對車輛的市場表現(xiàn)至關(guān)重要。汽車傳動系統(tǒng)的噪聲是比較常見的問題，但由于系統(tǒng)內(nèi)部件眾多，問題比較多樣，很多情況下問題都是出現(xiàn)在車輛行駛狀態(tài)，因此，傳動系統(tǒng)噪聲問題調(diào)查通常難度比較大。文中通過對傳動軸支架隔振性能理論分析，并通過對典型案例分析，對傳動軸支架隔振理論進(jìn)行了論述。

1 傳動軸支架隔振性能概述

1.1 四驅(qū)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置情況

乘用車傳統(tǒng)四驅(qū)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，動力傳動系統(tǒng)通過動總懸置、傳動軸支架、后橋懸置3處位置與車體直接相連，這3處位置也是動總振動傳遞到車體內(nèi)部最直接的路徑。傳動軸作為前后橋之間動力傳遞的橋梁，具有長度長、轉(zhuǎn)速高、與車身地板直接相連等特點(diǎn)，極易出現(xiàn)噪聲、振動與聲振粗糙度(noise、vibration、harshness,NVH)問題，對動平衡、中間支架隔振性能有極高的要求。

圖1 乘用車傳統(tǒng)四驅(qū)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 傳動軸支架隔振理論

圖2為傳動軸受力簡圖。圖中為角速度，為剛度，為阻尼，為轉(zhuǎn)角。

圖2 傳動軸受力簡圖

傳動軸支架垂直方向受力的微分方程為：

(1)

當(dāng)=0時(shí)，中間支架位置地板受到的垂向力為：

(2)

式中：為傳動軸支架支撐質(zhì)量,kg;

為支架垂向剛度，N/m;

為中間支架阻尼;

為中間支架位置垂向位移，m;

為傳動軸不平衡力;

為發(fā)動機(jī)激勵(lì)力;

為傳動軸萬向節(jié)速度波動激勵(lì)力;

為中間支撐質(zhì)心垂向振動引起的激勵(lì)力;

為傳動軸激勵(lì)頻率與傳動軸支架固有頻率比。

傳動軸支架垂向力傳遞率為地板受的垂向力最大值與傳動軸上的激勵(lì)力幅值之比稱之為傳遞率，用它來直觀反映傳動軸支架隔振效果。圖3是不同頻率比下的傳遞率變化曲線。

圖3 不同頻率比下的傳遞率變化曲線

2 傳動軸支架隔振典型案例分析

2.1 問題描述

某四驅(qū)版SUV車型，在低溫環(huán)境下(-25 ℃以下)啟動后，車輛在熱車過程中，駕駛室存在持續(xù)的異常噪聲，持續(xù)時(shí)長在500 s以上，由于在低溫環(huán)境下一般靜置熱車時(shí)間較長，持續(xù)的異常噪聲容易引起乘員比較大的抱怨。

2.2 原因調(diào)查

在調(diào)查過程中，松開傳動軸支架與車身連接螺栓，車內(nèi)異常噪聲消失，確認(rèn)車內(nèi)振動噪聲是發(fā)動機(jī)振動通過中間支架傳遞進(jìn)車身內(nèi)部。對其進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 -30 ℃環(huán)境下傳動軸支架隔振情況

圖5 常溫環(huán)境下傳動軸支架隔振情況

由圖4和圖5對比可以看出，常溫環(huán)境下，傳動軸支架隔振比較好，200 Hz以內(nèi)隔振為20～25 dB，200 Hz以上變差，約10 dB，但主觀評價(jià)良好；-30 ℃環(huán)境下，傳動軸支架隔振比較差，200 Hz以內(nèi)隔振為10～15 dB，200 Hz以上隔振為3～5 dB，主觀評價(jià)異常噪聲比較明顯，不能接受。

進(jìn)一步對該傳動軸支架進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下的剛度測試對比，如圖6所示，常溫下的剛度為35.2 N/mm,-20 ℃下的剛度為45.7 N/mm，-30 ℃下的剛度為78.2 N/mm。確定主要原因?yàn)橹Ъ芨粽裣鹉z在低溫環(huán)境下硬度變硬，剛度增加，導(dǎo)致傳動軸支架固有頻率提高，頻率比變小，進(jìn)而隔振變差。

圖6 不同環(huán)境溫度下傳動軸支架的剛度測試對比

2.3 對策方案

該問題主要原因?yàn)閭鲃虞S支架隔振橡膠低溫硬化致使頻率比變小導(dǎo)致，因此改善方向?yàn)槿绾蝺?yōu)化隔振橡膠低溫變硬問題。低溫環(huán)境下橡膠變硬問題一般可通過調(diào)整低溫生膠選擇及橡膠配方優(yōu)化來使橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，進(jìn)而改善橡膠低溫變硬的問題，但該方案存在周期較長、各方面性能影響驗(yàn)證項(xiàng)目多、改善效果不如預(yù)期等問題。比較快速的方法主要有兩種：

(1)對比測試傳動軸支架常用的橡膠材料硬度對溫度的敏感程度，選擇一款對溫度不敏感的材料進(jìn)行問題優(yōu)化；

(2)在傳動軸支架與地板連接的兩個(gè)螺栓位置再額外各增加一個(gè)隔振墊，形成兩極隔振，降低低溫環(huán)境下支架總成的等效剛度，提升隔振率。

表1為4種常用橡膠材料的傳動軸支架在各溫度下的剛度變化對比。

表1 4種常用橡膠材料的傳動軸支架在各溫度下的剛度變化對比

由表1可以看出，天然橡膠及硅橡膠支架在低溫環(huán)境下剛度變化率最小。因此針對天然橡膠支架、硅橡膠支架以及氫化丁腈橡膠支架+隔振墊3個(gè)方案進(jìn)行了實(shí)車對比測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 4種方案車內(nèi)噪聲對比

測試結(jié)果可以看出，3種新方案均對噪聲有明顯改善，尤其是天然橡膠方案，對噪聲最大改善為6～8 dB，車內(nèi)主觀評價(jià)可接受。

3 結(jié)束語

乘員感受到的NVH問題是表現(xiàn)外露的，非常直觀的，但是導(dǎo)致這些問題的原因往往隱藏得比較深，涉及激勵(lì)源、傳遞路徑等多方面，問題解決也存在各種可能方案，工程師要在各種可能原因及方案中探尋到最主要的原因及最有效的、最容易實(shí)施的方案。文中所列問題主要原因?yàn)榈蜏叵聜鲃虞S支架橡膠變硬導(dǎo)致，但該問題和低溫發(fā)動機(jī)冷啟動轉(zhuǎn)速高、振動大有很大關(guān)系，也和地板傳動軸安裝位置的剛度有很大關(guān)系，在這兩個(gè)方面也存在潛在改善方案，但這些改善方案實(shí)施難度比較大，優(yōu)化傳動軸隔振是最便捷、最經(jīng)濟(jì)的方案，結(jié)果表明也是效果比較好的一種方案。