汽车驱动后桥NVH分析及优化

过亮

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

通常来说，汽车的振动和噪声主要来自于车身和底盘两个部分。其中，我国大部分科研人员对汽车车身的NVH研究比较多，因此，我国汽车制造行业对车身NVH的衡量标准和设计优化手段体系都相对完善。相比之下，对汽车底盘NVH的研究内容显得比较匮乏。汽车驱动后桥既是振动的来源之一，又是汽车传动结构的重要组成部分，后桥NVH性能的好坏对汽车的使用性能和寿命影响很大。通过网上查阅国内外对汽车后桥NVH的研究成果，我们发现汽车后桥噪声主要产生于后桥主锥齿轮和轴承的振动。除此之外，汽车的驱动后桥上与汽车悬架连接，下与汽车轮胎相连，后桥作为汽车的中间结构，在运行的过程中会受到车身的变形和路况变化的影响。汽车运行时，当后桥结构的振动频率与车身的振动频率一致时，就会产生共振，从而使汽车产生剧烈的振动和噪声，这会给汽车的使用舒适性和运行的平稳性带来不好的影响。从这个方面来说，加大对汽车后桥的NVH研究意义重大。

1 汽车驱动后桥噪声机理

1.1 齿轮振动噪声机理

汽车后桥中振动与噪声产生的主要原因是齿轮振动。一般而言，齿轮的动态激励包括内部激励和外部激励两个方面。其中，齿轮的内部激励是指由于齿轮之间啮合而产生的激励；齿轮的外部激励则是指除齿轮外的机构产生的激励，比如由于发动机的振动和轴的不平衡而产生的激励。根据齿轮传动的原理，齿轮在啮合的法线方向相对转速为零，在啮合点的切线方向有相对滑动速度。啮合点切向的速度在齿轮旋转的过程中总是呈先减小后增大的趋势，这也使得摩擦力的方向呈现出周期性变化。

1.2 轴承振动噪声机理

汽车的驱动后桥中共有两对圆锥滚子轴承，它们都安装在变速器中。圆锥滚子轴承的主要特点是在运行时其外圈固定，内圈随汽车传动轴一起做旋转运动。轴承部分的振动和噪声也来自于内部和外部的振动激励。其中，轴承的外部激励主要是因轴的动不平衡和齿轮的啮合不良产生的，内部激励则是由于轴承自身的装配不好和磨损产生的。在运转过程中，虽然轴承外圈固定，但是滚动体跟随轴做旋转运动。滚动体的受力大小和方向都是周期性的，在不同的啮合点，轴承的承力大小、方向以及参与承力的数目都不一样。这些都是导致轴承刚度变化的因素，这些因素的存在是无法避免的。

1.3 半轴振动噪声机理

汽车驱动后桥中半轴的振动和噪声主要来自于外部激励和少部分的内部激励。其中，内部激励是由于轴的静不平衡产生的。在汽车后桥半轴前、后端都分布有很多激励源，因此，半轴振动和噪声的产生主要来源于半轴的外部激励，这其中就包含发动机激励、传动轴的弯曲激励、齿轮激励、轴承激励等因素。由于半轴布置在驱动后桥的内部，因此其产生的振动和噪声通过轴承传递出来以后就显得比较小。

2 汽车车身NVH性能的优化设计要点

2.1 提高顶盖模态频率

通常，在汽车生产车间会存在底盘横梁与顶盖间隙过大、黏胶效果不好等现象。针对这种现象，我们进行了深入的研究并制定出两种可以提高顶盖模态的方案：①采用弹性模量较高的黏胶。通过采用这种方案可以使顶盖模态达到33 Hz，但是这种方案存在弊端，即用黏胶固定顶盖会造成其容易变形，因此这种方案很少采用。②增加横梁高度，以提高其刚度。这种方案也可以使顶盖模态分析值达到33 Hz。

2.2 调整发动机悬置刚度

通过对不同试制阶段的车辆进行NVH测试，我们可以发现试制阶段二的NVH比试制阶段一要高。实验分析结果表明，试制阶段的发动机隔振率达到90%，即表示发动机部分90%以上的振动都能够被隔离，符合性能要求。

2.3 车身地板结构优化设计

消除汽车车身地板结构剧烈振动和噪声的最好方法是改变地板后部结构的振动频率，使其与传动轴和发动机的工作激励频率错开。为了对地板进行优化设计，首先要对地板模态进行灵敏度分析。

基于对降低成本和简化工艺的考虑，可以尝试增加汽车后部的地板厚度，并且在汽车的后部横梁之间加装一根与车架宽度相等的横梁，横梁的截面形状必须与汽车原有的横梁形状一致。这样不仅可以大大提高汽车整体强度，还可以减少由于发动机和传动轴造成的地板振动。通过实践发现，对汽车地板进行优化设计可以有效地改善汽车的NVH性能。

2.4 转向系统I-sight多学科优化设计

转向系统是汽车结构中最重要最复杂的部分。为了改善汽车转向系统的NVH性能，必须综合考虑模态性能、结构刚度、车身结构振动传递函数等。从这个层面上来讲，将多学科优化设计技术运用到对汽车转向系统NVH性能改善的研究中就显得尤为重要。在这项技术中，由于优化对象和目标明确且单一，因此总会存在唯一的优化解。优化过程中可以把钣金件的厚度作为设计变量，并以实现转向系统的轻量化为目标，以汽车转向系统的一阶弯曲模态合刚度为约束条件。I-sight多学科优化设计的操作过程如下：①在有限元软件中建立汽车转向系统的有限元模型；②确定实验初始的设计变量，并运用PS方法进行灵敏度测试；③采集有效的数据信息，并利用最小二乘法构建转向系统的响应面近似模型；④采用连续二次规划方法（SQP）进行多学科优化求解，最终使转向系统在不增加成本的情况下各项性能达到最优。通过上述操作就可以实现改善汽车转向系统NVH性能的目标。

3 结论

综上所述，汽车的NVH特性与车身结构的优化设计和汽车的零部件结构有着极大的联系，设计人员应该通过具体地分析振动原因提出解决措施。为了提高汽车的使用性能和满足用户的使用要求，对汽车NVH特性的研究要综合运用各领域的先进学科知识和理念。只有在引进先进技术的基础上提高自主研发能力，才能不断地设计出性能优良的汽车。

［1］毛世伟，李光明，陈富强.NVH测试在汽车后桥异响噪声源分析中的应用［J］.汽车工程师，2011（11）：40-42.

［2］李玲.某商务车M100NVH特性的分析与改进［D］.长沙：湖南大学，2015.

［3］杨明亮.汽车动力总成悬置系统NVH性能分析及改进设计［D］.成都：西南交通大学，2008.