[摘要] 因總布置及成本的制約，半軸設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用兩邊 不等長(zhǎng)半軸結(jié)構(gòu) ，長(zhǎng)半軸就有可能產(chǎn)生彎曲模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)共振問(wèn)題，此時(shí)就需要對(duì)長(zhǎng)半軸增加動(dòng)力吸振器進(jìn)行吸振。本文介紹了半軸動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)原理，初步 設(shè)計(jì)出  動(dòng)力吸振器的NVH性能參數(shù)，再通過(guò)試驗(yàn)用模態(tài)法進(jìn)行校核驗(yàn)算，對(duì)動(dòng)力吸振器參數(shù) 進(jìn)行修正，達(dá)到 解決 長(zhǎng)半軸彎曲共振引起的車內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題。

關(guān)鍵詞: 半軸，動(dòng)力吸振器，參數(shù)優(yōu)化

1 前言   

汽車半軸是汽車傳動(dòng)系的重要部件，連接著動(dòng)力總成和車輪，傳遞著動(dòng)力總成的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于前驅(qū)橫置發(fā)動(dòng)機(jī)，由于總布置空間的限制，變速器輸出軸是偏于單側(cè)的，就造成了左右兩側(cè)不等距，半軸設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇三段式、空心軸或長(zhǎng)短半軸三種設(shè)計(jì)方案。

三段式半軸（見(jiàn)圖1）由于中間增加了支撐，半軸彎曲模態(tài)很容易避開發(fā)動(dòng)機(jī)的主要點(diǎn)火激勵(lì)頻帶，避開共振區(qū)。但三段式半軸由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總布置空間要求大，成本較高，采用的  車型較少。另外，采用空心結(jié)構(gòu)的半軸也能有效提高半軸的彎曲模態(tài)，但其制造工藝復(fù)雜，半軸外徑增大，布置困難，成本增加較多，在中低端轎車上較少采用。

長(zhǎng)短半軸方案（見(jiàn)圖2）結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，較容易布置，成本也較三段式和空心軸低，被 較多車型所采用。半軸一般采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)半軸由于長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，彎曲模態(tài)一般很難避開發(fā)動(dòng)機(jī)的最高主要點(diǎn)火激勵(lì)頻率。以四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例，額定轉(zhuǎn)速6000rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)的主階次（2階）點(diǎn)火激勵(lì)頻率為200Hz，而實(shí)心長(zhǎng)半軸的一階彎曲模態(tài)大約在100-  120Hz，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率就會(huì)與半軸的一階彎曲模態(tài)頻率發(fā)生耦合，產(chǎn)生彎曲共振，振動(dòng)通過(guò)懸架傳遞到車身，引起車內(nèi)轟鳴。在實(shí)心長(zhǎng)  半軸上  增加橡膠動(dòng)力吸振器的吸振方案是當(dāng)前廣泛采用的有效手段。

2 動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)原理
對(duì)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)這樣的連續(xù)彈性體的彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，如果主振系統(tǒng)的第一、二階彎曲固有頻率f1和 f2滿足條件f2/f1≥   2，則可將原多自由度系統(tǒng)等效為對(duì)應(yīng)第一階彎曲模態(tài)頻率的單自由度系統(tǒng)，且系統(tǒng)阻尼可忽略。

圖 3 為簡(jiǎn)化后的主振系統(tǒng)安裝動(dòng)力吸振器的力學(xué)模型，動(dòng)力吸振器模型由質(zhì)量塊附加彈簧元件和阻尼器構(gòu)成。主振系統(tǒng)安裝動(dòng)力吸振器后自由度增加，主振系統(tǒng)響應(yīng)曲線的共振峰將由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，附加動(dòng)力吸振器后的二自由度系統(tǒng)振動(dòng)方程為

其中m1為主振系統(tǒng)的等效質(zhì)量，m2為動(dòng)力吸振器的質(zhì)量，k1為主振系統(tǒng)的等效剛度，k2為動(dòng)力吸振器的剛度，c為動(dòng)力吸振器的阻尼，x1、x2分別表示主振系統(tǒng)和動(dòng)力吸振器的位移，f(t)為主振系統(tǒng)的激勵(lì)力。由上式可得到主振系統(tǒng)的振幅放大因子α為

3動(dòng)
3 動(dòng)力吸振器的參數(shù)優(yōu)化方法
動(dòng)力吸振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是使得振幅放大因子α取最小值，在忽略主振系統(tǒng)阻尼的前提下，振幅放大因子α的大小取決于質(zhì)量比μ、固有頻率比v和動(dòng)力吸振器的阻尼比ξ。當(dāng)主振系統(tǒng)的參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)方法得到后，在一定的質(zhì)量比μ確定的情況下，通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力吸振器的參數(shù)v和ξ，使得振幅放大因子α最小，以達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

上圖為安裝動(dòng)力吸振器前后主振動(dòng)系統(tǒng)頻響曲線的變化對(duì)比，基于振幅放大因子曲線的不動(dòng)點(diǎn)理論和阻尼優(yōu)化理論，動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面因素的影響：
(1)安裝位置動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮安裝位置，實(shí)際應(yīng)用中通常將動(dòng)力吸振器安裝在主振系統(tǒng)的共振點(diǎn)位置附近，同時(shí)還要考慮空間限制和安裝點(diǎn)動(dòng)剛度的影響
(2)動(dòng)力吸振器質(zhì)量m2動(dòng)力吸振器的質(zhì)量對(duì)其減振效果有較大的影響，動(dòng)力吸振器的質(zhì)量越大，兩自由度系統(tǒng)曲線兩共振峰間的距離越大，幅值越低，動(dòng)力吸振器減振作用頻帶越寬，減振的效果也越好，放大因子越小。但在實(shí)際應(yīng)用中也要結(jié)合安裝空間、成本、耐久等因素綜合考慮。
(3)動(dòng)力吸振器頻率ω2動(dòng)力吸振器頻率的改變會(huì)影響二自由度系統(tǒng)共振點(diǎn)的位置和幅值，隨著固有頻率比v升高，左共振峰 A 頻率靠近主振系統(tǒng)共振點(diǎn)且幅值變大，右共振峰B 頻率遠(yuǎn)離主振系統(tǒng)共振點(diǎn)且幅值變小，反之同理，僅當(dāng)滿足式（3）時(shí)，左右共振峰的幅值才會(huì)相等。

(4)動(dòng)力吸振器阻尼比ξ動(dòng)力吸振器的阻尼比主要受材料特性的限制，其最佳阻尼比滿足式（4），此時(shí)振幅放大因子峰值最小。當(dāng)阻尼比取值小于ξ0時(shí)，振幅放大因子的共振峰值都會(huì)升高，并且右邊峰值B的上升速率大于左邊峰值A(chǔ)。當(dāng)阻尼比取值大于ξ0時(shí)，振幅放大因子的兩個(gè)共振峰值也都會(huì)升高，但同時(shí)兩個(gè)共振峰值會(huì)逐漸靠近。

4 某車型長(zhǎng)半軸動(dòng)力吸振器開發(fā)
4.1 半軸共振問(wèn)題某車型搭載了四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在車輛開發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3200-  3800rpm附近時(shí)，車內(nèi)低頻轟鳴聲明顯增大，初步懷疑可能是長(zhǎng)半軸與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)共振引起。通過(guò)對(duì)問(wèn)題車輛長(zhǎng)半軸進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)半軸在117Hz 存在明顯共振點(diǎn)，圖5 是長(zhǎng)半軸的頻響測(cè)試曲線。  通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)在車輛加速過(guò)程中的振動(dòng)測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了是由半軸共振引起的車內(nèi)轟鳴聲，圖6 是轉(zhuǎn)向節(jié)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

4.2 動(dòng)力吸振器參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算根據(jù)主振系統(tǒng)振幅放大因子的計(jì)算公式，結(jié)合動(dòng)力吸振器優(yōu)化方法，開發(fā)相關(guān)設(shè)計(jì)工具，針對(duì)某車型長(zhǎng)半軸一階彎曲模態(tài)導(dǎo)致的加速車內(nèi)轟鳴問(wèn)題開發(fā)動(dòng)力吸振器。首先通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)得半軸等效模態(tài)質(zhì)量為1820g，等效剛度為997N/mm，和半軸的共振頻率為117Hz。根據(jù)實(shí)際需求選定動(dòng)力吸振器質(zhì)量為   600g，布置在半軸中間位置附近，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)頻率88Hz，最優(yōu)阻尼比0.204。   由于該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸汽油機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)源為發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)，將橫坐標(biāo)以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)表示，得到如圖8所示的動(dòng)力吸振器效果曲線。

4.3 動(dòng)力吸振器的魯棒性分析汽車半軸上使用的動(dòng)力吸振器剛度阻尼原件通常采用橡膠材料制作。而影響橡膠原件剛度、阻尼的因素有很多，諸如橡膠的配方、橡膠分子鏈的長(zhǎng)度、硫化溫度、時(shí)間、壓力等。國(guó)內(nèi)橡膠制品供應(yīng)商通常對(duì)橡膠性能的控制手段較弱，對(duì)橡膠的阻尼參數(shù)缺乏控制。在該項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)與半軸供應(yīng)商的交流，其可將半軸動(dòng)力吸振器頻率誤差控制在±8%范圍內(nèi)，即動(dòng)力吸振器工作頻率為81.5-  95.7Hz。圖9 為動(dòng)力吸振器在中心頻率及上下極限頻率下的效果。從圖中可以看出，在上下極限頻率下，振幅放大因子均小于3.5，基本能夠滿足吸振性能要求。

4.4 動(dòng)力吸振器效果驗(yàn)證基于上述計(jì)算出的動(dòng)力吸振器參數(shù)制作樣件，實(shí)車安裝后測(cè)得的樣件實(shí)際效果見(jiàn)圖10。

基于供應(yīng)商對(duì)動(dòng)力吸振器的一致性控制能力，制作了上下極限頻率的樣件，實(shí)車安裝后測(cè)試的實(shí)車效果見(jiàn)圖11。

從圖10、圖 11中安裝動(dòng)力吸振器前后車內(nèi)加速噪聲曲線對(duì)比可以看出，安裝動(dòng)力吸振器后車內(nèi)3500轉(zhuǎn)附近的加速轟鳴聲完全消失，加速工況下車內(nèi)噪聲水平得到極大改善，上下極限頻率樣件對(duì)車內(nèi)轟鳴聲的抑制效果較好，未出現(xiàn)旁瓣峰引起的轟鳴聲問(wèn)題。

5 結(jié)論汽車半軸的設(shè)計(jì)不僅涉及到半軸的抗扭水平和承載強(qiáng)度，其NVH性能更是與整車的振動(dòng)噪聲密切相關(guān)。解決長(zhǎng)半軸的NVH問(wèn)題，共存在三種方案：采用兩段式的長(zhǎng)半軸結(jié)構(gòu)、采用空心軸結(jié)構(gòu)或增加半軸動(dòng)力吸振器，方案的選擇還需要從整車布置，成本等方面綜合考慮。準(zhǔn)確快速的確定動(dòng)力吸振器的三個(gè)參數(shù)，就能最大限度的降低或徹底消除汽車半軸引起的整車NVH問(wèn)題。作者：李坤1，石巖2，趙洪輝1，吳列1作者單位：北京汽車股份有限公司汽車研究院1,中國(guó)汽車技術(shù)研究中心2來(lái)源：2016汽車NVH控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集【免責(zé)聲明】本文轉(zhuǎn)載汽車NVH云講堂，版權(quán)歸原作者所有，僅用于學(xué)習(xí)等，對(duì)文中觀點(diǎn)判斷均保持中立，若您認(rèn)為文中來(lái)源標(biāo)注與事實(shí)不符，若有涉及版權(quán)等請(qǐng)告知，將及時(shí)修訂刪除，謝謝大家的關(guān)注！