基于半轴扭转刚度调校的新型微客轰鸣声治理

吴昱东，李人宪，丁渭平，康　强，杨明亮，向　伟

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.Department of Mechanical Engineering,KU Leuven,Belgium 3001；3.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）



基于半轴扭转刚度调校的新型微客轰鸣声治理

吴昱东1,2，李人宪1，丁渭平1，康强3，杨明亮1，向伟1

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.Department of Mechanical Engineering,KU Leuven,Belgium 3001；3.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

摘要：针对传动系扭振引致的新型微型客车内轰鸣声问题，以某型国产前置后驱新型微型客车为研究对象，建立传动系扭振理论分析模型，获取微车传动系扭振特性。运用传动系扭振测试分析结果对理论分析模型的有效性进行验证，并在此基础上开展关键部件扭转刚度对微车传动系扭振模态的影响规律研究，充分挖掘传动系部件参数设计上的抗扭振潜力。提出通过调校驱动半轴扭转刚度实现微车传动系扭振问题治理的方法，并设计针对性实验对该方法进行验证。结果表明：适当降低驱动半轴扭转刚度，可以有效减小微车传动系扭振，进而降低车内轰鸣声，提升车内声振舒适性。

关键词：声学；驱动半轴；扭转刚度；扭振；新型微客；轰鸣声

2013年以来，国内传统微车市场开始持续走低，而新型微客（又称低端经济型MPV）却逆势上扬，凭借其小排量、低成本、多功能的显著特点，不仅没有受到传统微车销量下降的直接影响，还呈现出了销售异常火爆的局面，已逐渐成为微车产业的支柱[1,2]。随着微车由载货型向载客型及多功能型车的快速发展，人们对新型微客的性能要求也全面提高，尤其是对与乘员有直接影响的车内声振舒适性更是日渐苛刻，因此新型微客在该方面的不足与缺陷也逐渐暴露，传动系扭转振动引致的车内低频轰鸣声便是新型微客目前最为显著的问题之一。

早期，在汽车传动系扭振问题研究过程中，已形成一些较为有效的治理方法。在国外，双质量飞轮（DMF）被广泛地应用于排量1.6 L以上的柴油车上，通过将振动源（发动机）与传动系隔离的方式，降低汽车传动系的扭振响应。尽管双质量飞轮具有优良的减振性能，但目前国内汽车所装配的双质量飞轮产品几乎全部依靠国外进口，使用成本较高，对于以低廉价格为重要优势的微车来说，安装双质量飞轮是十分困难的[3]。国内微车厂商通常使用一些成本相对较低措施来进行汽车传动系扭振治理，主要包括：在发动机自由端安装扭转减振器（TVD）以减小发动机扭转振动激励；在传动轴适当位置安装TVD以直接抑制传动系扭转振动；在后桥桥壳处安装动力吸振器（Damper）以阻止传动系扭振激发后桥振动并传递至车身。然而在使用这类减振措施时，一方面，由于TVD、Damper中橡胶元件的耐久性不足，弹性特性不易保持，长时间使用后，橡胶元件弹性特性会发生变化，抗扭振效果也会随之大大降低，甚至会引起传动系异响等其他噪声问题；另一方面，减振装置会增加传动系的总体质量，与目前汽车轻量化、经济化的大趋势背道而驰，这是微车厂商与用户都极不愿意接受的[4~6]。因此需要在深入分析新型微客传动系扭振特性的基础上，充分挖掘传动系结构设计的抗轰鸣声潜力，在避免成本增加、经济性下降的情况下，寻求实现微车传动系扭振治理的有效方法，进而提升新型微客车内声振舒适性。

1　问题描述

国产微客的动力传动系布置形式多为前置后驱，主要由发动机、离合器、变速器、传动轴、后桥、半轴及车轮等组成，这些部件共同组成了一个扭转振动系统，在车辆行驶过程中，发动机输出扭矩波动、传动部件运动的冲击、行驶阻力的作用等，会使动力传动系产生扭转振动响应，甚至激发传动系的扭转共振，强烈的扭转振动会引起汽车后桥发生剧烈的俯仰或侧倾，进而导致悬架安装点处产生很大的动态力，根据悬架形式的不同，这些力通过副车架或者直接作用到车身，激发车内振动与噪声[7–9]。

如图1所示，在3、4、5档全油门加速工况下，对某国产前置后驱新型微客车内噪声进行测试，从图2中原车状态测试结果可以看出，在发动机处于低转速（低于2 000 r/min）范围内时，车内噪声较大，尤其是发动机转速位于1 100 r/min及1 500 r/min附近时，车内噪声声压级存在明显峰值，乘员主观感受到强烈的压迫耳膜的轰鸣声。如图3所示在4档全油门加速工况下，对微车传动系主减速器输入端进行扭振测试，由原车状态测试分析结果（如图4所示）可以看出，传动系在发动机低转速范围内扭振幅值较大，同样也在1 100 r/min及1 500 r/min附近存在扭振峰值。另一方面，当在该车主减速输入轴处安装TVD后，从图4可以看出，该新型微客动力传动系在低转速区间得到了有效降低，车内噪声也随之减小（由图2可知）。可见，发动机低转速时传动系的扭振是引起该车加速过程中车内轰鸣声的根源所在，减小传动系扭振响应，是治理微车车内低速轰鸣声的有效途径。

图1　新型微客车内噪声测试

图2　加速工况车内噪声测试分析结果

图3　新型微客传动系扭振测试

图4　传动系扭振测试分析结果

2　传动系扭振特性分析

2.1传动系扭振理论分析模型建立

传动系扭振治理，首先要深入分析其扭振特性。目前这方面的研究多采用多自由度集中质量模型，即根据简化前后系统的动能和势能保持不变的原则，将传动系统简化为由无弹性的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量模型[10]，建立相应的力学和数学模型进行求解，其动力学方程为式中[I]为转动惯量矩阵，由传动系当量模型中惯性盘的转动惯量构成；[C]为扭转阻尼矩阵，主要包括发动机、离合器及轮胎阻尼；[K]为扭转刚度矩阵，由传动系当量模型中弹性轴的扭转刚度构成；[M]为激励力矩矩阵。

对于扭转振动的研究，一般包含两个部分，一是自由振动分析计算，二是强迫振动分析计算。自由振动分析计算，即方程右边干扰力矩矩阵为{0}，主要目的是确定系统本身的固有频率和振型；强迫扭振则是计算轴系在干扰力矩作用下的扭转振动幅值。当外界干扰力矩的频率等于或接近系统固有频率，且干扰力矩与扭振角位移相位相同时，便发生扭转共振，干扰力矩向系统输入能量最大。

图5所示为新型微客动力传动系扭振当量模型示意图，表1为传动系扭振当量模型中包含的传动系部件及其相关参数。

图 5传动系扭振当量模型

表1　各扭振元件当量转动惯量及扭转刚度（3档）

2.2模型验证对扭振当量模型进行自由振动计算，可以获得该车传动系统各档位下的扭振模态，见表2。可以看出，传动系第4阶和第5阶扭振模态频率对应的发动机（4缸汽油机）2阶共振转速大约为1 100 r/min和1 500 r/min，在常用转速范围内，容易诱发传动系统强烈扭振响应，传递至车身，造成车内轰鸣声。

表2　传动系扭振模态

为验证传动系扭振当量模型及其算法的有效性，针对该微车传动系进行了扭振测试。扭振实验在整车转鼓上进行，采用磁电式传感器，测量微车传动系主减速器输入端的扭振角速度随发动机转速的变化，并记录该车1、2、3、4、5档全油门加速时2阶扭振角速度峰值的频率，与模态计算分析结果进行对比，见表3。各档位下传动系模态计算分析结果与测试分析结果（第4阶与第5阶扭振模态）相对误差较小，最大不超过5%。因此，本文所建立的传动系扭振当量计算模型较为准确，其计算结果与车辆实际情况基本一致，可用于该车传动系扭振模态影响因素的分析。

表3　传动系扭振模态计算与测试结果对比

2.3关键参数对动力传动系扭振模态灵敏度分析

扭转刚度是影响传动系统扭振模态的重要参数。基于上述传动系当量模型，通过计算分析可以获得在各部件扭转刚度对敏感频段内传动系模态的影响灵敏度。如图6及图7所示为曲轴、离合器、传动轴、半轴及轮胎扭转刚度分别对传动系统4、5阶扭振模态的影响分析结果。半轴及轮胎的扭转刚度变化对动力传动系第4阶扭振模态频率影响较大，随着轮胎或半轴的扭转刚度增大，第4阶扭振模态频率迅速增大；动力传动系第5阶扭振模态频率对半轴扭转刚度变化最为敏感，当半轴扭转刚度增大时，第5阶扭振模态频率上升明显。由此可见，驱动半轴扭转刚度是调谐微车传动系第4阶及第5阶扭振模态的关键参数，驱动半轴扭转刚度设计整改能够对整车传动系扭振特性产生重要影响，可能成为微车传动系扭振问题治理的突破口。由于轮胎的扭转刚度涉及到汽车行驶稳定性、安全性等多方面因素，设计工作十分复杂，且轮胎扭转刚度对传动系第5阶扭振模态影响较小，此处暂不考虑。

3　驱动半轴扭转刚度整改设计

图6　第4阶扭振模态频率变化曲线

图7　第5阶扭振模态频率变化曲线

驱动半轴整改设计前，首先需要确定驱动半轴扭转刚度的设计范围。半轴扭转刚度主要取决于其轴径，该微车驱动半轴的原始轴径为31 mm，驱动半轴的轴径设计需要考虑轴承安装、后桥桥壳空间布置的几何限制以及半轴所需承受的强度条件，通过计算得到该车驱动半轴的最大轴径可以达到34.2 mm（轴承安装的限制），最小轴径为27.1 mm（强度条件限制）。建立相应的有限元模型，进行计算分析后获得驱动半轴的原始扭转刚度为1 1826.5 Nm/ rad，最小扭转刚度为8 094.3 Nm/rad，最大扭转刚度为15 177.8 Nm/rad。将驱动半轴最小及最大扭转刚度分别代入微车传动系扭振当量计算模型中，进行扭振自由振动和强迫振动计算，得到安装不同驱动半轴时微车传动系的扭振特性，见图8及表4。

图8　传动系扭振响应计算分析结果

表4所示为安装原装半轴、最小扭转刚度半轴及最大扭转刚度半轴时，微车传动系的扭振模态频率。可以看出，与原装半轴相比，安装最小扭转刚度半轴时，传动系第4阶与第5阶扭振模态频率都有所减小，当变速器位于4档，传动系第4阶扭振模态由36.9 Hz降低至34.6 Hz，第5阶扭振模态由53.8 Hz减小至49.4 Hz；而安装最大扭转刚度半轴时，传动系第4阶及第5阶扭振模态频率则向高频偏移。

图8为安装不同扭转刚度驱动半轴时，微车传动系输入端的扭振响应计算结果。由图8可知，随着半轴扭转刚度减小至最小设计值时，微车传动系扭振响应整体都有所降低，尤其是在发动机低转速区间，另外，传动系扭振峰值也向低频偏移；半轴扭转刚度增加至最大设计值，传动系扭振响应峰值向高频偏移，总体扭振幅值增大。由此可见，使用较低扭转刚度的驱动半轴，可以有效降低微车传动系扭转振动。

表4　传动系扭振模态频率 (安装不同扭转刚度半轴)

4　驱动半轴扭转刚度调校降噪效果验证

为验证半轴扭转刚度降低在实车减振降噪应用中的效果，试制了减小轴径的驱动半轴，如图9所示，其扭转刚度为8 094.3 Nm/rad，装车进行传动系扭振测试及车内噪声测试，并将测试结果与原车状态、及安装TVD状态进行对比。从图10可以看出，安装低扭转刚度的驱动半轴后，在全油门加速过程中，与微车原始状态相比，动力传动系扭振减小，尤其在发动机低转速区间，扭振幅值减低明显；从图11也可以看出，安装低扭转刚度半轴后，车内噪声减小，特别是在发动机低速区间，噪声声压级降低明显，车内主观声振舒适性也有显著改善。另一方面，从图10及图11还可以看出，低扭转刚度驱动半轴在发动机低转速区间能够达到与TVD相近的减振降噪效果，在发动机高转速时，更是避免了安装TVD带来的传动系动不平衡量增大、车内噪声升高的问题。由此可见，合理地设计驱动半轴扭转刚度，可以达到有效减小微车传动系扭振、降低车内轰鸣声、提升车内声振舒适性的效果。

图9　驱动半轴试验样件

图10　传动系扭振测试结果对比

图11　车内噪声测试结果对比

5结　语

（1）建立了某型国产前置后驱新型微客传动系的扭振当量分析模型，并基于测试及计算结果，深入分析了新型微客传动系的扭振特性。新型微客传动系在低频区间存在扭振模态，在发动机低转速时易被激发，产生强烈的扭转振动响应，传递至车身引致车内轰鸣声问题；

（2）研究了关键部件扭转刚度对新型微客传动系扭振模态的影响规律，充分挖掘了传动系部件参数设计上的抗扭振潜力，发现驱动半轴扭转刚度是调谐微车传动系第4阶及第5阶扭振模态频率的关键参数；

（3）提出了通过调校驱动半轴扭转刚度降低新型微客传动系扭振的方法，并设计针对性试验对该方法进行验证，结果表明适当地降低驱动半轴扭转刚度，可以达到有效减小微车传动系扭振、降低车内轰鸣声、提升车内声振舒适性的效果。

参考文献：

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Email：dwpc@263.net

中图分类号：TU112；TH132

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.015

文章编号：1006-1355(2016)01-0070-05+78

收稿日期：2015-07-09

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20100184110002）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU12CX036）

作者简介：吴昱东(1989-)，男，南京市人，博士生，主要研究方向为汽车噪声、振动与舒适性方面研究。E-mail:swjtuwyd@gmail.com

通讯作者：丁渭平(1968-)，男，教授。

Interior Booming Noise Reduction in New Minivans Based on Axle-shaft Torsional Stiffness Modification

WU Yu-dong1,2,LI Ren-xian1,DING Wei-ping1, KANGQiang3,YANG Ming-liang1,XIANGWei1

（1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Department of Mechanical Engineering,KU Leuven,Belgium 3001; 3.SAIC-GM WulingAutomobile Co.Ltd.,Liuzhou 545007,Guangxi China）

Abstract:The interior booming noise of new minivans caused by drivetrain torsional vibration was studied.The model of a typical FR minivan made in China was built for lumped-parameter torsional vibration analysis of the drivetrain.The model was validated by a drivetrain torsional vibration test.Then,the characteristics and the stiffness sensitivities of the minivan drivetrain torsional vibration were analyzed based on the validated model.The axle-shaft torsional stiffness was found to be the most sensitive parameter to the minivan drivetrain torsional vibration.An approach to reduce the drivetrain torsional vibration by modifying the axle-shaft torsional stiffness was proposed and the validation experiment was conducted.The results show that the well-designed torsional stiffness of the axle-shaft can effectively reduce the drivetrain torsional vibration and the interior booming noise so that the acoustic comfort of the new minivans is improved.

Key words:acoustics;axle-shaft;torsional stiffness;torsional vibration;new minivan;booming noise