传动轴中间支承隔振性能研究

战敏 冯立 陈强 沈飞

摘 要：针对某SUV冷启动异响问题，对传动轴中间支承隔振性能进行研究。通过分析中间支承隔振原理，得出异响问题为低温时支承刚度增大、隔振性能变差导致。文章通过中间支承增加橡胶隔振垫、改变支承橡胶衬套材料两方面提高支承隔振效果，改善异響问题。验证结果表明，改变支承橡胶衬套材料改善效果明显。

关键词：传动轴中间支承;隔振原理;支承刚度;隔振性能

Abstract： Combined with a SUV cold start problem， the anti-vibration performance of the propshaft intermediate support is studied. By analyzing the vibration isolation principle of the intermediate support， it is concluded that the abnormal sound problem is caused by the increase of the support stiffness and the deterioration of vibration isolation performance at low temperature. In this paper， there are two ways to enhance the supports anti-vibration performance by changing the supports stiffness. One is increasing the rubber vibration isolation pad， the other is changing the rubber lining material of the support. The results show that the latter way has obvious improvement effect.

Keywords： Propshaft intermediate support; Vibration isolation principle; Support stiffness; Anti-vibration perfor mance

前言

传动轴是汽车动力传动系统的主要部件之一，它的动力学特性直接关系到汽车性能。传统乘用车轴距普遍较长，为提高传动轴临界转速，满足整车NVH性能以及布置要求，常将传动轴分段，需设置中间支承用于支承与定位。

传动轴有效隔振方法之一就是合理设计中间支承的刚度，支承刚度若不合理，隔振效果会大打折扣。本文结合某SUV冷启动异响问题，对传动轴中间支承隔振性能进行研究。

1 问题描述与分析

1.1 问题描述

某SUV在低于-20℃的低温环境下，车辆冷启动噪音大，且持续时间长达400s左右。声音大致来自机舱底部，热车后噪音消失。

对该SUV进行问题复现，将其在-30℃低温舱静置一夜后测试冷启动时车内振动信号，如图1所示。结果表明，冷启动时车内存在200HZ附近明显共振带。

1.2 问题分析

1.2.1 激励源分析

该SUV采用两段式传动轴，中间设置支承结构。传动轴振动噪声从变速器输出端经传动轴中间支承传递到车身，引起车内结构共鸣声或振动。鉴于异响来自机舱底部，判断异响源为传动轴中间支承。

中间支承由外支架、橡胶衬套和轴承构成，其橡胶衬套采用某合成橡胶，结构如图2所示。其中，橡胶衬套作为弹性及阻尼元件，用于调节系统刚度及损耗振动能量，是传动轴的主要隔振结构，用以阻断或隔离传动轴的振动激励传至车身系统[1]。

1.2.2 中间支承隔振原理

中间支承作为传动轴与车身之间的隔振结构，可以将其简化成一个单自由度系统，其激励频率w是传动轴转动频率。激励 。

支承的振幅放大因子β计算如下[2]：

式中，k为支承橡胶衬套的径向刚度;m为支承的参振质量，即传动轴施加在中间轴承上的重量。

根据公式（1），得到不同相对阻尼系数下幅频响应曲线如下。

从幅频响应曲线可以看出：

（1）当 《1时，激励基本上全部通过隔振系统，隔振系统未起作用;

（2）当  时，隔振系统放大了激励，产生共振，此时，增加阻尼振幅明显下降;

（3）当 时，隔振系统才能真正起到隔振作用，且  越大，隔振效果越好。

在设计中，由于激励频率往往无法改变，因此为得到好的隔振效果，应该使隔振系统的固有频率wn比激励频率w小，以提高w/wn值。但wn不可设计的过小，若wn过小，要求弹性元件的刚度过低，难以支撑系统重量，进而带来稳定性的问题。在实际应用中，常取  [4]。

1.2.3 支承橡胶衬套不同温度刚度变化

对中间支承合成橡胶衬套进行台架试验，测试其刚度随温度变化关系，结果如图5所示。

合成橡胶衬套常温下径向刚度为35.2N/mm，-20℃径向刚度为45.7N/mm，-30℃径向刚度为78.2N/mm。结果表明，温度低于-20℃，橡胶衬套径向刚度显著增大。

综上，考虑到该SUV异响随着温度升高而消失，判断异响为中间支承橡胶衬套径向刚度随温度降低升高，导致中间支承固有频率增加，从而使中间支承隔振效果变差引起的。

2 改善方案及验证

本文从提高中间支承隔振效果角度出发，制定了两种改善方案。

2.1 方案1—中间支承安装点增加橡胶隔振垫

考虑到中间支承与车身直接连接，为了能够快速改善问题，采用在支承安装点上增加橡胶隔振垫的方式来优化支承的隔振性能，結构如图6所示。

增加橡胶隔振垫后，在低温舱进行车辆冷启动测试，车内振动信号如图7所示。

结果表明，增加隔振垫，共振问题有改善。但在驾驶室内仍能听见异响，异响并未完全消除。

2.2 方案2—中间支承橡胶衬套材料变更

由于增加橡胶隔振垫不能明显改善异响问题，因此考虑从根本上改变橡胶衬套材料来改善低温支承刚度大的问题。

选取天然橡胶和硅胶两种常用的橡胶材料进行可行性分析。分别测试了其径向刚度随温度变化关系，结果如图8、图9所示。

天然橡胶衬套常温下径向刚度为25.1N/mm，-20℃径向刚度为26.1N/mm，-30℃径向刚度为27.6N/mm。结果表明，天然橡胶衬套径向刚度低且随温度变化差异不大。

硅胶衬套常温下径向刚度为43.52N/mm，-20℃径向刚度为53.34N/mm，-30℃径向刚度为57.01N/mm。结果表明，硅胶衬套径向刚度虽随温度变化差异不大，但其刚度偏高，隔振性能不理想。

因此，选取天然橡胶衬套来做改善样件。更换天然橡胶衬套支承后，在低温舱进行车辆冷启动测试，车内振动信号如图10所示。

结果表明，更换天然橡胶衬套材料改善效果明显，异响消失。

综上，相比加隔振垫，从根本上改变橡胶衬套材料来隔离传动轴的振动激励传至车身的隔振措施效果更显著。

3 结论

传动轴对整车振动及噪声有很大影响，传动轴中间支承是与车身连接的唯一部件，要严格控制中间支承设计参数。

本文通过分析激励传递路径及传动轴中间支承隔振原理，确认传动轴中间支承橡胶衬套低温时刚度增大，隔振变差为异响问题原因。从提高中间支承低温隔振效果探寻改善方案，最终通过改变橡胶衬套材料，实现了最优的隔振效果。

参考文献

[1] 尹浚.汽车传动轴振动分析[J].轻型汽车技术.1998（2/3）：27-39.

[2] 魏春梅.胡锦帆.续西安等.汽车传动轴中间支承的减振设计[J].机械设计与制造.2015（11）：42-45.

[3] 倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社.1989：79-84.

[4] 徐彪.邓达.杨中明.重型商用车传动轴支承的刚度设计[J].汽车科技.2010（1）：62-66.