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汽車傳動(dòng)軸 NVH 案例研究及改進(jìn)

2021-12-10 12:42:28·  來源：汽車NVH云講堂  
　
作者 | AAM 亞洲總部及研發(fā)中心，上海 200120來源 | 汽車NVH云講堂摘要: 傳動(dòng)軸作為底盤主要零件之一，對(duì)于整車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的 NVH 有著非常顯著的影響。單個(gè)
作者 | AAM 亞洲總部及研發(fā)中心，上海 200120
來源 | 汽車NVH云講堂
摘要: 傳動(dòng)軸作為底盤主要零件之一，對(duì)于整車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的 NVH 有著非常顯著的影響。單個(gè)傳動(dòng)軸除了本身產(chǎn)生NVH 外，也會(huì)傳遞和放大整車傳動(dòng)系統(tǒng) NVH，許多整車傳動(dòng)系統(tǒng)都是通過改變傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) NVH 的優(yōu)化。列舉幾例傳動(dòng)軸常見的 NVH 現(xiàn)象及所作的改進(jìn)，為傳動(dòng)軸今后的開發(fā)提供一定的參考。
關(guān)鍵詞: 傳動(dòng)軸; NVH; 改進(jìn)
引言
現(xiàn)代汽車的技術(shù)發(fā)展方向主要包括: 安全、環(huán)保、信息化、低成本和舒適性。其中，乘坐舒適性成為現(xiàn)今評(píng)判車輛性 能、劃分汽車檔次的重要依據(jù)之一，它的提高主要依賴汽車NVH 技術(shù)的發(fā)展和支持。如果把汽車作為一個(gè)系統(tǒng)來研究，汽車本身就是一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)。但汽車又 是由多個(gè)系統(tǒng)組成的復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都存在振動(dòng)問 題，文中研究的是傳動(dòng)系統(tǒng)。
十字軸式萬向傳動(dòng)軸由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞功率大， 效率高，主從動(dòng)軸間夾角允許變化范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽 車等車輛上獲得了廣泛的應(yīng)用。以四輪驅(qū)動(dòng) ( 4WD) 和全輪驅(qū)動(dòng) ( AWD) ( 見圖 1 ) 的汽車為例，其底盤布置采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)形式，變速箱與后驅(qū)動(dòng)橋之間需要傳動(dòng)軸進(jìn) 行聯(lián)接和傳遞扭矩，其中傳動(dòng)軸對(duì)底盤 NVH 起著不容忽視的影響。作者就此歸納幾種常見的與傳動(dòng)軸相關(guān)的 NVH 現(xiàn)象及解決方法。


圖1 車輛驅(qū)動(dòng)形式
1 傳動(dòng)軸異響
傳動(dòng)軸異響主要表現(xiàn)在: 在萬向節(jié)、伸縮部件及中間支承狀況良好的情況下，傳動(dòng)軸在車輛行駛過程中發(fā)出異響。
( 1) 問題描述及分析
問題描述: 某SUV 在車速 10 ～ 20 km / h 時(shí)出現(xiàn)清脆、高頻率、時(shí)有間斷的異響; 在經(jīng)過一段時(shí)間高速路試后，部分 SUV的異響消失。
問題分析: 該 SUV 是 4WD，以后傳動(dòng)軸為主驅(qū)動(dòng)軸。該傳動(dòng)軸為兩段式帶中間支承，軸管內(nèi)加減震襯，中間部分使用 的是十字萬向節(jié)，如圖 2 所示。經(jīng)過仔細(xì)辨別，聲音來自傳動(dòng)軸，主要是中間部分。


圖2 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)
( 2) 問題推測(cè)及論證
推測(cè) 1: 中間支承安裝有偏置，導(dǎo)致中間支承內(nèi)外圈橡膠與鋼球接觸狀態(tài)不理想。
但檢查了防塵罩與橡膠圈，即使在偏置狀態(tài)下也無法干涉，況且清脆、高頻率、時(shí)有間斷的異響不符合金屬與橡膠之 間的發(fā)聲特點(diǎn)，因此該推測(cè)被推翻。
推測(cè) 2: 軸管內(nèi)減震襯松動(dòng)發(fā)出聲響。
將一根在車上發(fā)生異響的傳動(dòng)軸總成軸管鋸開，發(fā)現(xiàn)減震 襯并未松動(dòng)，而且即使松動(dòng)，發(fā)出的聲音也并非清脆，因此該 推測(cè)被推翻。
推測(cè) 3: 鑒于中間十字萬向節(jié)的扭動(dòng)手感比兩邊的緊，而且該部位路試后溫度高，再聯(lián)想到該十字萬向節(jié)總成軸承碗內(nèi) 無尼龍墊片，判斷可能是十字萬向節(jié)軸頸端面與軸承碗內(nèi)底面 干磨發(fā)出的聲音。
支持證據(jù):
① 鋸開發(fā)生異響傳動(dòng)軸中間的十字萬向節(jié)，發(fā)現(xiàn)十字萬向節(jié)軸頸端面已有燒傷痕跡;
② 異響聲音間斷/ 高頻，符合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速/ 十字萬向節(jié)軸頸與軸承碗相對(duì)擺動(dòng)頻率;
③ 傳動(dòng)軸裝在車上，行駛一段時(shí)間后，手感緊的十字萬向節(jié)會(huì)逐漸變松，減少十字萬向節(jié)軸頸端面與軸承碗內(nèi)底面的摩 擦，使部分異響消失。
因此，該推測(cè)成立。
( 3) 解決方案及驗(yàn)證
解決方案: 發(fā)生該問題的原因是十字萬向節(jié)擺動(dòng)扭矩過大，造成裝配后過緊，在車輛運(yùn)行中容易出現(xiàn)磨損，因此將十 字萬向節(jié)手工擊松以減小擺動(dòng)扭矩后再使用，異響就會(huì)消失。
驗(yàn)證試驗(yàn):
① 收集 10 件在車輛形式中出現(xiàn)異響的產(chǎn)品， 將中間十字萬向節(jié)手工擊松后裝車行駛，異響消失;
② 另選 10 件產(chǎn)品，將十字萬向節(jié)人為擊緊后裝車行駛， 有異響出現(xiàn); 拆下?lián)羲珊笤傺b車行駛，異響消失。
目前狀況: 現(xiàn)有的傳動(dòng)軸經(jīng)過擊松裝車后，基本消除異響; 更新傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，將十字萬向節(jié)的擺動(dòng)扭矩控制在合理的范圍內(nèi)，異響沒有出現(xiàn)。
2 共振
在所有振動(dòng)分量中，占主要成分的是傳動(dòng)軸的 1 階振動(dòng)， 即傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速與其 1 階固有頻率一致而發(fā)生共振。一定直徑和長(zhǎng)度的軸，轉(zhuǎn)速提高到某一限度時(shí)，會(huì)劇烈振動(dòng)而損壞。這樣的損壞轉(zhuǎn)速稱為傳動(dòng)軸的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速［5］。
( 1) 問題描述及分析
問題描述: 客戶抱怨某手動(dòng) SUV 在道路試驗(yàn)中高速行駛時(shí)有震感，主要是在時(shí)速 120 km / h，底板振動(dòng)明顯。
問題分析: 由于該問題發(fā)生在 SUV 高速運(yùn)行時(shí)，因此需要到汽車道路試驗(yàn)場(chǎng)，坐在車內(nèi)親身體驗(yàn)震動(dòng)的感覺。在車輛行 駛過程中，嘗試在不同車速掛不同的擋位，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng) SUV 處于時(shí)速 120 km / h 時(shí)，才明顯感到震動(dòng)，低于或超過這個(gè)速度時(shí)基本沒有感覺，初步判斷是零部件之間的頻率接近，產(chǎn)生了 共振。
( 2) 論 證
支持依據(jù): 第二次來到道路試驗(yàn)場(chǎng)，與 NVH 工程師一起檢測(cè)了傳動(dòng)軸的裝在整車上的固有頻率，結(jié)果顯示在 150 ～ 160
Hz 上出現(xiàn)一個(gè)頻率的尖峰，如圖 3 所示。


圖3 傳動(dòng)軸在整車上的固有頻率
同時(shí)客戶提供了他們檢測(cè)的底盤頻率波形圖，在發(fā)動(dòng)機(jī)處 于 4 600 r / min 的轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)同樣有個(gè)尖峰，如圖 4 所示?？梢杂?jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)在 4 600 r / min 時(shí)的 2 階頻率為 4 600 × 2 ÷ 60 =153. 3 Hz。由此得出結(jié)論: 傳動(dòng)軸在發(fā)動(dòng)機(jī)處于 4 600 r / min 時(shí)受迫振動(dòng)，其固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的 2 階頻率接近而發(fā)生共振， 判斷成立。


圖4 底盤頻率波形圖
( 3) 解決方案及驗(yàn)證
解決方案: 最理想解決該問題的方法是錯(cuò)開發(fā)動(dòng)機(jī)4 600 r / min 的 2 階頻率與傳動(dòng)軸的固有頻率。問題發(fā)生的源頭是發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)軸是受迫振動(dòng)， 起到了放大 NVH 的效果。更改發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率難度相當(dāng)大， 涉及到更改發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，因此通常情況下是更改傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)從而錯(cuò)開兩者的頻率。
① 方法 1: 在軸管內(nèi)增加減震襯。圖 5 是增加減震襯后測(cè)量的傳動(dòng)軸固有頻率圖，可以看出，1 階頻率僅增加到 168. 8Hz，實(shí)際效果不明顯，因此該方法不可行。


圖5 方法1中傳動(dòng)軸的固有頻率
② 方法 2: 將兩段傳動(dòng)軸的軸管外徑由 63. 5 mm 增加至70 mm，軸管壁厚不變。經(jīng)過測(cè)試， 固有頻率顯著升高至 187. 5 Hz，如圖 6 所示。


圖6 方法2中傳動(dòng)軸的固有頻率
將改后的傳動(dòng)軸總成安裝在整車上跑道路試驗(yàn)，測(cè)試得底 盤頻率波形圖 ( 見圖 7) ，發(fā)動(dòng)機(jī)在 4 600 r / min 轉(zhuǎn)速時(shí)，尖峰已經(jīng)消失。


圖7 傳動(dòng)軸改進(jìn)后底盤頻率波形圖
目前狀況: 改進(jìn)后的傳動(dòng)軸安裝在整車上運(yùn)行時(shí)底盤無振動(dòng)現(xiàn)象，售后反應(yīng)良好。
3 總結(jié)
隨著生活質(zhì)量的提高，人們追求的是更快速、舒適的交通 工具，所以對(duì)十字萬向傳動(dòng)軸的要求就更高。文中列舉了 2 個(gè)關(guān)于傳動(dòng)軸 NVH 的案例以及改進(jìn)方法，希望能給今后解決一些汽車 NVH 問題提供一定的幫助和參考。

參考文獻(xiàn):
【1】王東川． NVH 材料在汽車方面的應(yīng)用． 漢高股份有限公司宣講材料， 2006．
【2】靳曉雄，張立軍，江浩． 汽車振動(dòng)分析［M］． 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社， 2002: 18．
【3】Universal Joints: Survey NO． 45［J］． Engineers' Digest，1973，34
( 12) : 57 － 61．
【4】WAGNEＲ E Ｒ，COonEY C E． Universal Joint and Driveshaft Design
Manual［J］． The Society of Automotive Engineer， 1991．
【5】劉世愷． 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造原理［M］． 北京: 人民交通出版社，1996: 159．
【6】( 德) 切梅茲． 萬向節(jié)與傳動(dòng)軸［M］． 北京: 北京理工大學(xué)出版社， 1997: 3 － 5．
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