汽車傳動系統扭振問題的優化分析

唐 沖　梁 甲

汽車傳動系統扭振問題的優化分析

唐 沖梁 甲

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

汽車傳動系統在工作時會產生非常明顯的振動和噪聲，在車輛前進行駛過程中，汽車傳動軸產生高速旋轉，由傳動軸本身扭轉產生的彎曲和扭轉振動會激起車內明顯的振動和噪聲，當車內振動和噪聲水平達到一定程度時，會導致客戶體驗下降，抱怨度增加。文章通過傳動軸萬向節優化，改善整車行駛扭振問題，提高車輛動態品質。

傳動系統；傳動軸；扭振；萬向節

引言

NVH是Noise，Vibration和Harshness三個英文單詞首字母的縮寫[1]，總體概括了汽車噪聲、振動和舒適性等各項指標。當汽車內部各項結構振動的時候，一般會產生噪聲，進一步可能會影響到車內乘坐人員乘坐時的舒適度，反過來若是乘坐舒適度有問題的時候，相應的噪聲振動問題肯定會存在。因此，三者在車輛噪聲振動中是同一時間產生而且又緊密不可分割的，所以人們經常把它們放在一起進行綜合分析判斷。簡而言之，乘客在汽車中的一切視覺、聽覺乃至觸覺感受與反饋都是NVH需要分析的領域，各車輛系統主要零部件及整車的NVH性能指標都是需要進行分析的主要內容。

行業一些相關調查顯示，NVH的質量高低是客戶購買汽車的一個非常重要的影響因子。在所有汽車客戶投訴的問題清單之中，與NVH類問題有關的大概1/3，售后類服務問題與NVH有關系的約占1/5。汽車傳動系統在工作時會產生非常明顯的噪聲和振動。在車輛正常行進的過程中，汽車傳動軸旋轉速度非常高，傳動軸本身的扭曲和彎曲振動會引起明顯的噪聲和振動問題。當車內的噪聲和振動達到一定程度時，會導致用車客戶體驗感變差，投訴概率增加。

受NVH影響的問題，一般會表現在兩個方面：首先是設計方面的缺陷。在設計開始的時候，設計師們沒有意識到會有錯漏之處，在汽車上市銷售后卻突然反饋回來了明顯的NVH問題。其次在汽車生產過程中，出現了某些NVH問題，如由于某些問題的疏忽而導致某一品牌的某一批車型出現一些品質方面的問題。

本文針對某后驅車型傳動軸的扭振問題，擬研究傳動軸與變速器端由十字軸式萬向節改為聯軸器柔性萬向節后，對整車NVH性能的具體改善效果，為后續車輛傳動系統的開發應用提供經驗與借鑒。

1　扭振問題背景描述及分析

1.1　背景描述

對于汽車而言，與NVH相關的問題可能會無處不在。具體而言，它可以分為底盤系統、車身系統、發動機系統三個方面。更深一步可分為道路駕駛、空調、空氣動力學、制動等部分。雖然它看起來像是獨立的問題，實際上它們互相之間又是密切相關的聯系。例如，汽車輪胎不僅會負責汽車向前行進，而且還與車輛的動力傳動系統、懸架系統、制動系統相連。整個車輛結構中又都包含這三個系統，車輛的主要載體又是在車身結構上。因而NVH是一個復雜的受多方面影響的系統性問題，各個系統又是受到彼此影響的。

某后驅MPV車型在進行下線動態評價時，在2檔、3檔、4檔的急加速和高速行駛時，發現車內有明顯的轟鳴、振動感，嚴重影響駕駛、乘坐體驗。

1.2　分析

來自傳動系統的扭矩上下波動、發動機的激勵、傳動軸和后橋主減速器器自身的動態不平衡、萬向節產生的額外彎矩、剛度過軟或者過硬的中間支撐等影響因子都會引起傳動系統的異常振動和噪聲，對乘客的舒適度產生大大的影響，用戶的良好體驗感也會降低。

對于長軸距汽車而言，傳動軸通常會被分段（兩段或三段），這樣做的主要目的是為了縮短每一節的長度，可以達到提高剛度和單段的固有頻率的效果，以此來提高整個傳動軸的臨界轉速值[2]。中間支撐應設置在前、后傳動軸的中間位置，中間支撐的軸承由橡膠包裹并與傳動裝配在一起后安裝在下車體上，橡膠的彈性變形可以吸收部分傳動軸在軸向和圓周方向公差導致的安裝誤差，以及懸架和發動機的彈性元件變形、前進的過程中后橋上下跳動引起的角度變化和軸向位置變化。

傳動軸總成主要應用在汽車前進過程中，在變速器與后橋之間相對位置不斷改變的時候，傳遞旋轉運動和旋轉扭矩。

汽車傳動軸開發設計應滿足以下方面的要求：

（1）能夠確保穩定地傳輸動力，在所連接的兩根軸相對位置在規定行程內出現變化時。

（2）為了確保前后兩個軸連接，并盡可能等速度地運行，設計時應當盡量減小布置夾角。

（3）由于萬向節夾角變化而產生的額外的噪聲、振動和負載應該在容許的區域之內。

（4）結構設計簡單，傳動效率高，經久耐用，便于制造，維修維護便利等。

汽車傳動軸總成一般由滑動叉、軸管、萬向節、中間支撐、連接法蘭組成?；⒖耸剑ㄒ卜Q為十字軸式）萬向節具有耐久性好、結構簡單、生產成本低、傳動效率高、強度高等優點，當下發動機前置后驅汽車的傳動軸大多采用虎克式萬向節?；⒖耸饺f向節屬于不等速萬向節，當萬向節的主、從動端兩者之間存在一定的角度時（如圖1所示），由于不等速的特性（主動軸以等角速度轉動時，從動軸時快、時慢，此即為十字軸萬向節傳動的不等速性）。萬向節傳動輸出端的軸線與輸入端的軸線的轉角差產生的附加彎矩會引起懸架彈性元件和動力總成懸置的振動，還會引發連接到輸出軸的齒輪的沖擊和噪音以及駕駛艙內的共振噪音。

圖1　傳動軸布置角度圖

柔性萬向節可以吸收傳動系統的大部分扭轉振動，降低扭轉振動傳遞到后橋主減速器，提高后橋主減速器的壽命，提高車輛的行駛平順性和NVH性能。圖2為聯軸器的結構，聯軸器屬于柔性萬向節。

圖2　聯軸器結構圖

在汽車行進過程中，傳動軸總成主要被用于變速器與后驅動橋間傳遞旋轉運動和旋轉扭矩。

本文所述的聯軸器安裝于傳動軸上，作為變速器與傳動軸的第一萬向節連接，如圖3所示。

圖3　聯軸器安裝位置圖

2 優化前后對比測試

某后驅車進行下線動態評價時，發現在2檔、3檔、4檔的急加速（2000 rpm～3500 rpm）和高速行駛（3000 rpm～3500 rpm）時車內空間有明顯可感知到的振動、轟鳴噪聲，乘坐舒適度受到嚴重影響。

通過進一步的主觀評價發現：在車內前部、后部的轟鳴噪聲、振動感較突出，且與變速器當下擋位、發動機的瞬時轉速無關，只與車速存在關聯性。初步分析這個問題，是由傳動系統引起。一般情況下，傳動系統出現的噪聲振動來源，主要來自變速箱、傳動軸和后橋主減速器。

此車動力傳動整體布置結構為前置后驅車型，傳動系統結構為后非獨立懸掛＋3非等速萬向節傳動軸。傳動軸的布置結構如圖4所示[3]。

圖4　兩段式傳動軸的布置

傳動軸作為整車傳動系統的重要構成部分，對整車NVH指標有著重要的影響，故對原車傳動軸與改進后的傳動軸樣件進行客觀數據采集分析。在良好平直的道路上采用西門子LMS設備進行NVH測試，在后橋主減速器外殼體、駕駛座椅導軌上分別布置振動加速度傳感器，同時分別在前排、后排座椅上布置麥克風，掛3擋進行WOT測試。

2.1　測試分析

測試完成后，對測試數據進行整理匯總，通過對比測試數據進行分析，發現采用聯軸器后，前排噪音峰值消除，2550 rpm～3530 rpm轉速段總聲壓級平均約降2 dB(A)，2階約降6 dB(A)；后排噪音峰值消除，2550 rpm～3530 rpm轉速段總聲壓級平均約降5 dB(A)，2階約降10 dB(A)（如圖5）；原車后橋主減速器振動在2580 rpm附近有振動峰值，該轉速段車內前排及后排噪音也有與之對應噪音峰值，變速器與傳動軸連接處增加聯軸器方案后，該轉速下主減及座椅導軌振動峰值消除（如圖6）。

通過以上測測試數據對比分析可以看到，采用聯軸器傳動軸方案相比原車3個十字軸萬向節傳動軸對整車振動噪聲均有明顯的改善，在一定的轉速區間，振動加速度改善幅度甚至超過了80%，證明聯軸器對于優化整車傳動系統的扭振問題有相當大的效果。

3　結論

分析解決汽車的NVH問題，與“源-傳遞路徑（系統）-接受方”模型是分不開的。噪聲與振動是在源頭處生成，通過一系列的傳遞路徑傳遞到接受方處被感受到。因此，為了達到分析與解決噪聲與振動問題的目的，可以從這三個方面來作詳細分析考量。第一是要減弱發生源頭處的噪聲與振動，第二方面是在源頭處與接受方中間處將噪聲與振動的傳遞路徑截斷或者使其減弱，對接受方進行額外的防護是最后的措施。

該車型通過變速器端改用聯軸器柔性萬向節連接的方法，在解決車輛加速時振動、轟鳴問題效果顯著。針對車輛加速時振動噪聲問題進行分析，柔性萬向節可以吸收傳動系統的相當部分扭轉振動，降低扭轉振動傳遞到后橋主減速器與車內空間，提高車輛的行駛平順性和NVH性能，大大改善了車輛加速時傳動系統振動噪聲明顯的問題。

該問題的分析及解決方案可提高客戶的滿意度，并為后續車輛傳動系統的開發應用提供經驗與借鑒。

[1] 譚祥軍. 從這里學NVH: 噪聲、振動、模態分析的入門與進階[M]. 北京: 機械工業出版社，2018.

[2] 王望予. 汽車設計(第4版)[M]. 北京: 機械工業出版社，2004.

[3] 王霄鋒. 汽車底盤設計(第2版)[M]. 北京: 清華大學出版社，2018.

Optimization Analysis of Torsional Vibration Problem of Automobile Transmission System

When the vehicle transmission system works, it will produce very obvious vibration and noise. During the forward driving of the vehicle, the vehicle transmission shaft will rotate at high speed. The bending and torsional vibration generated by the torsion of the transmission shaft itself will arouse obvious vibration and noise in the vehicle. When the vibration and noise level in the vehicle reaches a certain level, it will lead to the decline of customer experience and the increase of complaint. Through the optimization of transmission shaft universal joint, this paper improves the torsional vibration of the whole vehicle and improves the dynamic quality of the vehicle.

transmission system; transmission shaft; torsion vibration; universal joint

U463.2

A

1008-1151(2022)05-0065-03

2022-02-28

唐沖（1988－），男，東風柳州汽車有限公司工程師，從事汽車傳動系統開發工作。