汽车传动轴NVH案例研究及改进

宋平
（AAM亚洲总部及研发中心，上海　200120）

　　摘　要：传动轴作为底盘主要零件之一，对于整车的动力传动系统的NVH有着非常显著的影响。单个传动轴除了本身产生NVH外，也会传递和放大整车传动系统NVH，许多整车传动系统都是通过改变传动轴的结构实现NVH的优化。列举几例传动轴常见的NVH现象及所作的改进，为传动轴今后的开发提供一定的参考。
　　关键词：传动轴；NVH；改进
　　0　引言
　　现代汽车的技术发展方向主要包括：安全、环保、信息化、低成本和舒适性。其中，乘坐舒适性成为现今评判车辆性能、划分汽车档次的重要依据之一，它的提高主要依赖汽车NVH技术的发展和支持。如果把汽车作为一个系统来研究，汽车本身就是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统。但汽车又是由多个系统组成的复杂的振动系统，每个系统都存在振动问题，文中研究的是传动系统。
　　十字轴式万向传动轴由于具有结构简单，传递功率大，效率高，主从动轴间夹角允许变化范围大等优点，因此在汽车等车辆上获得了广泛的应用。以四轮驱动（4WD）和全轮驱动（AWD）（见图1）的汽车为例，其底盘布置采用前置发动机四轮驱动形式，变速箱与后驱动桥之间需要传动轴进行联接和传递扭矩，其中传动轴对底盘NVH起着不容忽视的影响。作者就此归纳几种常见的与传动轴相关的NVH现象及解决方法。 　　1　传动轴异响
　　传动轴异响主要表现在：在万向节、伸缩部件及中间支承状况良好的情况下，传动轴在车辆行驶过程中发出异响。
　　（1）问题描述及分析
　　问题描述：某SUV在车速10～20km/h时出现清脆、高频率、时有间断的异响；在经过一段时间高速路试后，部分SUV的异响消失。
　　问题分析：该SUV是4WD，以后传动轴为主驱动轴。该传动轴为两段式带中间支承，轴管内加减震衬，中间部分使用的是十字万向节，如图2所示。经过仔细辨别，声音来自传动轴，主要是中间部分。 　　（2）问题推测及论证
　　推测1：中间支承安装有偏置，导致中间支承内外圈橡胶与钢球接触状态不理想。
　　但检查了防尘罩与橡胶圈，即使在偏置状态下也无法干涉，况且清脆、高频率、时有间断的异响不符合金属与橡胶之间的发声特点，因此该推测被推翻。
　　推测2：轴管内减震衬松动发出声响。
　　将一根在车上发生异响的传动轴总成轴管锯开，发现减震衬并未松动，而且即使松动，发出的声音也并非清脆，因此该推测被推翻。
　　推测3：鉴于中间十字万向节的扭动手感比两边的紧，而且该部位路试后温度高，再联想到该十字万向节总成轴承碗内无尼龙垫片，判断可能是十字万向节轴颈端面与轴承碗内底面干磨发出的声音。
　　支持证据：①锯开发生异响传动轴中间的十字万向节，发现十字万向节轴颈端面已有烧伤痕迹；
　　②异响声音间断/高频，符合传动轴转速/十字万向节轴颈与轴承碗相对摆动频率；
　　③传动轴装在车上，行驶一段时间后，手感紧的十字万向节会逐渐变松，减少十字万向节轴颈端面与轴承碗内底面的摩擦，使部分异响消失。因此，该推测成立。
　　（3）解决方案及验证
　　解决方案：发生该问题的原因是十字万向节摆动扭矩过大，造成装配后过紧，在车辆运行中容易出现磨损，因此将十字万向节手工击松以减小摆动扭矩后再使用，异响就会消失。
　　验证试验：①收集10件在车辆形式中出现异响的产品，将中间十字万向节手工击松后装车行驶，异响消失；
　　②另选10件产品，将十字万向节人为击紧后装车行驶，有异响出现；拆下击松后再装车行驶，异响消失。
　　目前状况：现有的传动轴经过击松装车后，基本消除异响；更新传动轴的设计，将十字万向节的摆动扭矩控制在合理的范围内，异响没有出现。
　　2　共振
　　在所有振动分量中，占主要成分的是传动轴的1阶振动，即传动轴的转速与其1阶固有频率一致而发生共振。一定直径和长度的轴，转速提高到某一限度时，会剧烈振动而损坏。这样的损坏转速称为传动轴的危险转速或临界转速^[5]。
　　（1）问题描述及分析
　　问题描述：客户抱怨某手动SUV在道路试验中高速行驶时有震感，主要是在时速120km/h，底板振动明显。
　　问题分析：由于该问题发生在SUV高速运行时，因此需要到汽车道路试验场，坐在车内亲身体验震动的感觉。在车辆行驶过程中，尝试在不同车速挂不同的挡位，发现只有当SUV处于时速120km/h时，才明显感到震动，低于或超过这个速度时基本没有感觉，初步判断是零部件之间的频率接近，产生了共振。
　　（2）论证
　　支持依据：第二次来到道路试验场，与NVH工程师一起检测了传动轴的装在整车上的固有频率，结果显示在150～160Hz上出现一个频率的尖峰，如图3所示。 　　同时客户提供了他们检测的底盘频率波形图，在发动机处于4600r/min的转速时系统同样有个尖峰，如图4所示。可以计算得发动机在4600r/min时的2阶频率为4600×2÷60=153.3Hz。由此得出结论：传动轴在发动机处于4600r/min时受迫振动，其固有频率与发动机的2阶频率接近而发生共振，判断成立。 　　（3）解决方案及验证
　　解决方案：Z理想解决该问题的方法是错开发动机4600r/min的2阶频率与传动轴的固有频率。问题发生的源头是发动机，传动轴是受迫振动，起到了放大NVH的效果。更改发动机的频率难度相当大，涉及到更改发动机的结构，因此通常情况下是更改传动轴的结构从而错开两者的频率。
　　①方法1：在轴管内增加减震衬。图5是增加减震衬后测量的传动轴固有频率图，可以看出，1阶频率仅增加到168.8Hz，实际效果不明显，因此该方法不可行。 　　方法2：将两段传动轴的轴管外径由63.5mm增加至70mm，轴管壁厚不变。经过测试，固有频率显著升高至187.5Hz，如图6所示。 　　将改后的传动轴总成安装在整车上跑道路试验，测试得底盘频率波形图（见图7），发动机在4600r/min转速时，尖峰已经消失。 　　目前状况：改进后的传动轴安装在整车上运行时底盘无振动现象，售后反应良好。
　　3　总结
　　随着生活质量的提高，人们追求的是更快速、舒适的交通工具，所以对十字万向传动轴的要求就更高。文中列举了2个关于传动轴NVH的案例以及改进方法，希望能给今后解决一些汽车NVH问题提供一定的帮助和参考。
　　参考文献：
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