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驅(qū)動橋懸置優(yōu)化對某越野車車內(nèi)噪聲的改善
2021-11-05 08:52:05· 來源：汽車NVH云講堂
[摘要]：本文針對某44越野車巡航時車內(nèi)噪聲大問題，分析其主要貢獻(xiàn)為驅(qū)動橋振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲。借鑒發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開發(fā)了
[摘要]：本文針對某4×4越野車巡航時車內(nèi)噪聲大問題，分析其主要貢獻(xiàn)為驅(qū)動橋振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲。借鑒發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開發(fā)了一套驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，橋懸置改進(jìn)方案有效改善了車內(nèi)噪聲，同時為驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)開發(fā)提供了一種思路與方法。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋，懸置設(shè)計，車內(nèi)噪聲；
1、引言
驅(qū)動橋是汽車承載與傳遞扭矩的重要部件，同時也是汽車的主要振動噪聲源之一[1]。從傳遞路徑上講，采用懸置彈性結(jié)構(gòu)可以有效隔離振動，在驅(qū)動橋與副車架之間增加懸置元件可以衰減車內(nèi)的振動噪聲。目前驅(qū)動橋NVH性能研究的文章多是對本體振動噪聲發(fā)生機(jī)理的研究較多，而較少有驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)的開發(fā)的研究[1-4]。國內(nèi)懸置系統(tǒng)的研究主要集中在發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的布置與匹配、懸置元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能仿真等方面[5-7]。
本文針對某越野車驅(qū)動橋?qū)噧?nèi)噪聲貢獻(xiàn)大的問題，通過借鑒發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開發(fā)了一套驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證橋懸置改進(jìn)方案有效改善了車內(nèi)噪聲，同時為驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)開發(fā)提供了一種思路與方法。
2、車內(nèi)噪聲問題分析
2.1 問題描述與原因分析
某4×4承載式越野車，市場上客戶對巡航行駛車內(nèi)噪聲大存在較大抱怨。通過主觀評價初步判定為齒輪噪聲為車內(nèi)噪聲大的主要貢獻(xiàn)，同時也嚴(yán)重降低了車內(nèi)聲品質(zhì)。從客觀數(shù)據(jù)分析上看，改進(jìn)前在普通B級鋪裝路面上最高檔50、60km/h定速進(jìn)行車內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)如圖1，可以看出主要噪聲貢獻(xiàn)分別為387Hz和465Hz的激勵頻率。
傳動系統(tǒng)中，軸的轉(zhuǎn)速與車速有傳動比的比例關(guān)系，齒輪嚙合頻率與軸的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)有比例關(guān)系。根據(jù)車速計算齒輪嚙合頻率見式1，計算橋嚙合頻率見式2。
式中：f-齒輪嚙合頻率；r-齒輪所在軸轉(zhuǎn)速；n-齒輪齒數(shù)；V-車速；R-車輪滾動半徑；i-軸到車輪的傳動比；h-齒輪嚙合階次；I0-齒輪所在軸相對發(fā)動機(jī)傳動比。
根據(jù)式1、式2，可得驅(qū)動橋齒輪嚙合階次與50、60km/h定速驅(qū)動橋齒輪嚙合激勵頻率見表1（此越野車前后驅(qū)動橋?yàn)橥吞枺?/span>
3檔全油門加速噪聲數(shù)據(jù)驗(yàn)證驅(qū)動橋齒輪嚙合階次，見圖3
可得定速噪聲主要貢獻(xiàn)頻率與橋齒輪嚙合激勵頻率相吻合，驅(qū)動橋激勵對加速噪聲也有重要貢獻(xiàn)。
2.2 改善預(yù)測
對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程處理，并進(jìn)行橋激勵改善后整車噪聲預(yù)測，以50km/h定速數(shù)據(jù)為例如圖4，削去橋貢獻(xiàn)峰值可降低車內(nèi)噪聲1.7dB（A）；同理，可以預(yù)測削去橋貢獻(xiàn)峰值60km/h定速預(yù)計可降低車內(nèi)噪聲1.5dB（A）。
由于該橋已為成熟的市場化產(chǎn)品，從橋本體上進(jìn)行振動噪聲優(yōu)化代價太大，所以考慮從傳遞路徑上優(yōu)化橋懸置系統(tǒng)，提升隔振性能達(dá)到降噪的目的。
3、驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計
3.1 原驅(qū)動橋懸置方案介紹
此越野車前后驅(qū)動橋?yàn)橥吞?，原?qū)動橋懸置均采用4個相同的軟墊布置安裝，方案示意如圖4。
以上方案存在諸多缺點(diǎn)：
1. 解耦性差：采用4 個相同的軟墊，未根據(jù)系統(tǒng)解耦要求合理匹配各向剛度，易存在運(yùn)動耦合；
2. 動、靜剛度大：此結(jié)構(gòu)形式橡膠體厚度小，動靜剛度大，且難以獨(dú)立設(shè)計各向剛度；
3. 限位設(shè)計缺陷：無合理的線性剛度范圍，限位剛度過大。
鑒于以上缺點(diǎn)，改進(jìn)需要重新進(jìn)行懸置布置、選型及計算。
3.2 改進(jìn)驅(qū)動橋懸置布置方案與選型
驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)布置時考慮以下因素：驅(qū)動橋總成的重量、扭矩、可靠性、成本和空間等。該越野車可靠性的要求高，傳動軸扭矩大，驅(qū)動橋安裝空間受限。綜合考慮以上因素,選用4點(diǎn)式吊掛懸置系統(tǒng)。
懸置形式選用襯套式橡膠懸置，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性好。
3.3 靜載荷設(shè)計
根據(jù)驅(qū)動橋速比、扭矩，確定懸置的布置位置。通過計算懸置受力、驅(qū)動橋俯仰角和側(cè)傾角，設(shè)計懸置靜載荷和初始剛度。
3.3.1 有效扭矩軸的確定
受力分析可知，半軸反作用于驅(qū)動橋殼體的力矩與車輪前進(jìn)時旋轉(zhuǎn)方向相反；傳動軸作用于驅(qū)動橋殼體的方向與傳動軸旋轉(zhuǎn)方向一致。如圖5所示，根據(jù)驅(qū)動橋主減速比，可以確定有效扭矩軸方向。
3.3.2 懸置位置的確定
根據(jù)有效扭矩軸，可確定懸置的布置位置。通過驅(qū)動橋的質(zhì)心，做一條垂直于有效扭矩軸的直線，如圖5所示。圖中的A和B兩點(diǎn)即為理想懸置布置點(diǎn)，由于兩點(diǎn)支承不穩(wěn)定，需要使用3點(diǎn)或者4點(diǎn)懸置系統(tǒng)。
采用4點(diǎn)式懸置系統(tǒng)的布置，調(diào)整懸置的等效彈性中心，見圖5中兩種布置的組合。綜合考慮車輛底盤空間，無法實(shí)現(xiàn)理想布置，最終確定布置位置（以后橋?yàn)槔?，見圖6。
3.3.3 懸置初始剛度的設(shè)計
設(shè)計懸置的初始剛度，可以計算控制側(cè)傾角、俯仰角，獲取最大扭矩時懸置在力-位移曲線的工作點(diǎn)，從而校核和優(yōu)化懸置的初始位置。
通過供應(yīng)商的輸入的懸置型式最大位移量，初步確定懸置初始剛度，本例Z向初始剛度均取700N/mm。
建立ADAMS力學(xué)模型，在低頻范圍內(nèi)驅(qū)動橋主減速器視為剛體，四個懸置使用4個力元進(jìn)行模擬，傳動軸和半軸的質(zhì)量對驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)有較大的影響，因此增加建立1個傳動軸和2個半軸模型，并根據(jù)實(shí)際連接關(guān)系施加萬向節(jié)和移動副等約束，見圖7。
初步建立懸置靜態(tài)力-位移關(guān)系模型，計算驅(qū)動橋總成的側(cè)傾角和俯仰角型。在1檔70%WOT負(fù)荷下計算得驅(qū)動橋側(cè)傾角與俯仰角如表2。
控制側(cè)傾角，半軸的夾角更?。豢刂聘┭鼋?，萬向節(jié)夾角更??；都會有更好的NVH性能。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)傾角與俯仰角滿足性能要求。
3.3.4 模態(tài)頻率分布設(shè)計
當(dāng)懸置系統(tǒng)的固有頻率與相鄰部件或子系統(tǒng)的頻率接近時將惡化車內(nèi)的噪聲與振動。驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率與其他系統(tǒng)的模態(tài)頻率避開，各相關(guān)頻率如表3所示。
以驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率與表3頻率分離為目標(biāo)，以懸置剛度為設(shè)計變量，對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，見表4。同時考慮生產(chǎn)成本和安裝便利因素，盡量使用較少型號的剛度。
表5為優(yōu)化后各橋懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率與振型，該模態(tài)振型的方向均在整車坐標(biāo)系下描述的方向。
3.3.5 靜剛度曲線設(shè)計
設(shè)計懸置的動靜剛度曲線，校核各工況下懸置的受力與位移，確保驅(qū)動橋總成不與周邊
零部件發(fā)生運(yùn)動干涉。
將上節(jié)的設(shè)計剛度值作為線性段靜剛度，將其乘以動靜比的剛度作為巡航預(yù)載下的動剛度。
進(jìn)而確定線性段剛度的長度，非線性段剛度以及懸置的最大位移量，懸置的最大位移量可通過設(shè)計允許的最大側(cè)傾角進(jìn)行初步計算。與動力總成懸置設(shè)計類似，懸置靜剛度曲線的設(shè)計通則如圖8所示。
計算各向剛度曲線，型號1懸置為例，見圖9。
設(shè)計靜剛度曲線后，還需要對典型工況和極限工況進(jìn)行校核，以確保懸置在各工況下無運(yùn)動干涉。在驅(qū)動橋總成懸置系統(tǒng)ADAMS模型中，將載荷施加在驅(qū)動橋質(zhì)心處，不同工況下施加的載荷不同。驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)計算工況見表6，其中G為驅(qū)動橋重力，m為驅(qū)動橋質(zhì)量，g為重力加速度。
以后橋?yàn)槔?，校核典型工況與極限工況懸置位移，滿足設(shè)計限位要求，見附表1。
完成懸置方案設(shè)計，以后橋懸置為例，示意見圖10。
4、試驗(yàn)驗(yàn)證
驅(qū)動橋懸置改進(jìn)前后在普通B級鋪裝路面上最高檔50、60km/h定速進(jìn)行車內(nèi)噪聲駕駛員右耳測試數(shù)據(jù)如圖11?？傻?0km/h定速車內(nèi)噪聲在387Hz降低12dB（A），整車噪聲改善1.9dB（A）；60km/h定速車內(nèi)噪聲在465Hz降低10dB（A），整車噪聲改善1.4dB（A）。
驅(qū)動橋懸置改進(jìn)前后3檔全油門加速車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)見圖12。
綜上可得，本次橋懸置改進(jìn)有效降低了車內(nèi)噪聲。
5、總結(jié)
本文針對某越野車巡航時振動噪聲問題進(jìn)行了驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)正向開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計方案有效降低車內(nèi)噪聲。得出的結(jié)論如下：
（1）驅(qū)動橋齒輪嚙合引起的振動噪聲是巡航時車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)，可通過優(yōu)化驅(qū)動橋懸置改善車內(nèi)噪聲；
（2）本文提出一種驅(qū)動橋懸置設(shè)計方法，適用于驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)正向開發(fā)，為后續(xù)對驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)設(shè)計提供了一種思路和參考。論文創(chuàng)新點(diǎn)：借鑒發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法，建立包含半軸和傳動軸的驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)ADAMS動力學(xué)模型，結(jié)合驅(qū)動橋工作特性，提出一種驅(qū)動橋懸置系統(tǒng)設(shè)計方法。
作者：徐東陽1，夏祖國2，任立志3，王成云4
作者單位：東風(fēng)特種裝備事業(yè)部（東風(fēng)越野車有限公司）
來源：2020 年第十七屆汽車NVH 控制技術(shù)國際研討會論文集
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