某后驱SUV扶手箱抖动问题分析与控制

赵红飞 吕兆平 周湘 韦宁

摘  要：针对某后驱SUV在发动机高转速时出现的扶手箱抖动问题，利用LMS Test.lab测试分析数据得出传动轴旋转振动引起中间支撑刚体模态与动力总成刚体模态耦合导致共振而产生;并通过LMS Virtual lab动力学仿真改变传动轴中间支撑橡胶刚度从而达到移频的效果，并最终通过实车验证使该问题得以解决控制。

关键词：传动轴;刚体模态;模态耦合;NVH

中图分类号：U463.21      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2019）03-0033-04

Abstract： Aiming at the problem of the armrest box jitter of a rear-drive SUV at high engine speed， the LMS Test.lab test analysis data is used to obtain that the rotational vibration of the propeller shaft causes the intermediate support rigid body mode to be coupled with the rigid assembly of the powertrain to cause resonance; And through the LMS Virtual lab dynamic simulation to change the stiffness of the middle support rubber of the propeller shaft to achieve the effect of frequency shift， and finally through the real vehicle verification to solve the problem.

Key Words： Propeller shaft; Rigid body mode; Modal coupling; NVH

随着人们对整车舒适性要求的提高，振动与噪声与舒适性要求成为汽车设计最重要的指标之一。因此，振动和噪声控制作为汽车设计制造的一个重要方面，受到了各主机厂的重视。后驱汽车传动系统在工作时会产生非常明显的振动和噪声，在车辆行驶过程中，由传动轴本身弯曲和扭转振动而激起车内明显的振动和噪声很容易被乘员识别，导致客户及售后部门的严重抱怨。

传动轴工作性能的稳定性对后驱车型的NVH有着十分重要的影响，早期的传动轴动力学研究主要以不考虑剪切变形的Rayleigh梁-轴模型和考虑剪切变形的Timoshenko模型[1]为主。后续研究逐渐采用有限元模型对传动轴横向弯曲振动进行模拟，计算传动轴的横向弯曲振动固有频率和振型[2]。齐海政等人指出传动轴的中间支承刚度是汽车传动系统振动特性的建模分析的关键参数之一[3]。为了达到良好的隔振效果，应该使激励频率与系统的固有频率之比大于2[4]。目前国内的传动轴NVH研究已在系统级分析中取得较大进步，但是从整车NVH管控出发，系统级的分析仍然忽略了其他系统对传动轴振动的影响，边界条件与整车状态下的传动轴工作过程存在差异。

本文针对某前置后驱SUV采用的两段式传动轴旋转抖动而造成中间支撑刚体模态和动力总成刚体模态耦合引起的扶手箱振动异响问题，利用专业软件搭建整车级的传动系统分析模型，充分考虑路面激励与负载变化对传动轴振动特性的影响，进行分析而确定振动及异响的原因。通过调整动力传动系统的模态分布，使得传动轴中间支撑的固有频率避开动力总成刚体模态，实车测试结果表明，改善效果明显。

1    传动轴的工作原理

汽车传动轴总成一般由万向节、传动轴和中间支撑组成。对于长轴距汽车，常常将传动轴分段（两段或三段），目的在于缩短每一段的长度，提高刚度，从而提高传动轴的临界转速。两段式传动轴的前后两段传动轴中间需要增加带有橡胶隔振的中间支撑，以减小传动轴角度方向和轴向的安装误差以及发动机、悬架等弹性悬置在汽车行驶过程中所引起的角位移和线位移[5]。

目前大多数中间支撑采用埋在橡胶弹性元件中的单列求轴承型式，如图1所示。该支撑主要用于承受传动轴不平衡、偏心等因素引起的径向力，而不能传递轴向力，但可承受万向节上的附加弯矩引起的径向力。

传动轴总成主要用于在车辆行驶过程中，相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。

汽车传动轴设计应满足如下基本要求：

（1）保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力;

（2）保证所连接两轴尽可能等速运转;

（3）由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声應在允许范围内;

（4）传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等[6]。

2    故障问题描述及分析

2.1   故障问题描述

发动机的激励、传动系统的扭矩波动、传动轴的动不平衡、万向节产生的附加弯矩、中间支撑刚度过软或者过硬等因素均能引起传动系统的振动异响，影响车内乘员的舒适性，降低顾客的感知度。

本文中，某前置后驱SUV在进行路试评价时，发现在2、3、4档高转速时（发动机转速为3800转附近）扶手箱处的振动比较大，同时伴有哐哐的异响，严重影响了乘坐舒适性，需要研究其机理并改善相应的NVH问题。

该车涉及到传动系统配置为三等速万向节传动轴+独立主减。传动轴示意图如图2所示：

2.2   主观评价及测试分析

通过主观评价发现：在车辆中部此噪声较明显，且与发动机转速、变速器挡位无关，仅与车速相关。初步判断此噪声可能存在的问题源头在传动轴、后悬挂、轮胎等。

在驾驶员右耳处布置麦克风，并在扶手箱、传动轴中间支撑处布置测点，在平直道路上进行3档WOT测试。

通过对测试数据进行分析，扶手箱处存在13Hz及其倍频的振动峰值（图3），且与传动轴中间支撑处的宽频冲击相对应（图4）。

进而判断该问题可能是因为传动轴中间支撑模态过低与动力总成刚体模态耦合导致。为验证此设想，分别进行了传动轴中间支撑模态测试以及动力总成刚体模态测试。在整车上进行中间支撑模态测试，测得中间支撑模态为13Hz，不满足NVH子系统目标要求（25～30Hz）。测试结果见图5：

在整车上测试动力总成的刚体模态，测得动力总成各阶刚体模态见表1所示，从表中可知绕X轴转动的模态13.25Hz与传动轴中间支撑模态13Hz非常接近，容易模态耦合，从而确定其为扶手箱振动异响的主要原因。

3    方案制定

3.1   方案研究

基于主观评价及测试分析，为了实现的动力传动系统的刚体模态避频，本文通过virtual lab motion 软件搭建了该车型动力底盘系统的动力学模型。

该模型涵盖了动力系统、传动系统、底盘系统以及简易车身系统、模拟路面的转鼓系统。可以用于模拟汽车的行驶工况，以及不同负载下的动力底盘系统刚体模态。

模型的主要拓扑关系可参考图7至图9。

模型搭建后，将分析类型设置为“DYNAMIC”，并且勾选“Linearization”线性化分析，输出“Eigenvectors”。分析结果如图10所示，中间支承处的刚体模态为13.26Hz，计算结果与实际测试值仅相差0.26Hz（表2），误差为2%，可认为该模型可以作为解决该问题的参考模型。

经分析可知，动力总成fry模态与传动轴中间支承模态的间隔仅为0.13Hz，會产生模态耦合。当传动轴中间支撑模态与其他部件模态耦合发生共振时，可以采取的控制策略是把两者的模态频率避开，由于动力总成刚体模态频率范围一般要求设计在发动机怠速隔振频率以下，本车怠速空载转速为750rpm，按隔振要求刚体模态频率要求小于25Hz，因此要把传动轴中间支撑模态至少提升到28Hz以上才能解决问题。提升模态的方法有两种：一是提升中间支撑橡胶的径向刚度，二是降低中间支撑所支撑传动轴的质量，本文采用提升中间支撑径向刚度的办法来验证此振动异响问题。将中间支撑刚度分别设置为30、35、43N/mm（静刚度），动静比按照1.5进行计算，对这三种方案进行仿真分析得到中间支撑模态如表3所示：

3.2   方案验证

对刚度43方案进行3挡全油门测试，与故障车扶手箱处振动频谱进行对比（图11），可以看出共振问题不再现。

原车传动轴中间支撑振动数据对比

4    结语

在某特定车速下，传动轴旋转频率达到中间支撑固有频率而产生的共振是无法避免的，在设计时要使中间支撑固有频率尽可能避开关键子系统固有模态，避免二者耦合导致车内NVH变差。本文通过调整中间支撑橡胶刚度，避开了与动力总成刚体模态耦合，解决了扶手箱振动异响问题。该问题分析及解决方案可供NVH工程师在解决相关问题时提供借鉴。

参考文献：

[1]张文.转子动力学理论基础[M].北京：科学出版社，1990，38-43，206-208.

[2]高云凯.汽车动力总成弯曲振动及其控制方法的有限元分析与试验研究[J].吉林工业大学，1995，26（4）：6-9.

[3]齐海政.高品质商用车动力学建模关键问题研究[J].吉林大学，2011，84-88.

[4]胡乃杰.黄波.微车用传动轴中间支撑的刚度分析与改进.机床与液压，2011.

[5]B.海兴，M.埃尔斯（著）.孙鹏（译）.汽车底盘手册[M].机械工业出版社，2012. 1.

[6]朱卫兵，陈微微，谢珍兰.传动轴引起的车内噪声研究与解决[J].装备制造技术，2012.11.