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驱动桥悬置优化对某越野车车内噪声的改善
2021-11-05 08:52:05· 来源：汽车NVH云讲堂
[摘要]：本文针对某44越野车巡航时车内噪声大问题，分析其主要贡献为驱动桥振动引起的结构噪声。借鉴发动机悬置系统的设计方法，建立ADAMS力学模型，正向开发了
[摘要]：本文针对某4×4越野车巡航时车内噪声大问题，分析其主要贡献为驱动桥振动引起的结构噪声。借鉴发动机悬置系统的设计方法，建立ADAMS力学模型，正向开发了一套驱动桥悬置系统。通过试验验证，桥悬置改进方案有效改善了车内噪声，同时为驱动桥悬置系统开发提供了一种思路与方法。
关键词：驱动桥，悬置设计，车内噪声；
1、引言
驱动桥是汽车承载与传递扭矩的重要部件，同时也是汽车的主要振动噪声源之一[1]。从传递路径上讲，采用悬置弹性结构可以有效隔离振动，在驱动桥与副车架之间增加悬置元件可以衰减车内的振动噪声。目前驱动桥NVH性能研究的文章多是对本体振动噪声发生机理的研究较多，而较少有驱动桥悬置系统的开发的研究[1-4]。国内悬置系统的研究主要集中在发动机悬置系统的布置与匹配、悬置元件的结构设计与性能仿真等方面[5-7]。
本文针对某越野车驱动桥对车内噪声贡献大的问题，通过借鉴发动机悬置系统的设计方法，建立ADAMS力学模型，正向开发了一套驱动桥悬置系统。试验验证桥悬置改进方案有效改善了车内噪声，同时为驱动桥悬置系统开发提供了一种思路与方法。
2、车内噪声问题分析
2.1 问题描述与原因分析
某4×4承载式越野车，市场上客户对巡航行驶车内噪声大存在较大抱怨。通过主观评价初步判定为齿轮噪声为车内噪声大的主要贡献，同时也严重降低了车内声品质。从客观数据分析上看，改进前在普通B级铺装路面上最高档50、60km/h定速进行车内噪声测试数据如图1，可以看出主要噪声贡献分别为387Hz和465Hz的激励频率。
传动系统中，轴的转速与车速有传动比的比例关系，齿轮啮合频率与轴的转速和齿数有比例关系。根据车速计算齿轮啮合频率见式1，计算桥啮合频率见式2。
式中：f-齿轮啮合频率；r-齿轮所在轴转速；n-齿轮齿数；V-车速；R-车轮滚动半径；i-轴到车轮的传动比；h-齿轮啮合阶次；I0-齿轮所在轴相对发动机传动比。
根据式1、式2，可得驱动桥齿轮啮合阶次与50、60km/h定速驱动桥齿轮啮合激励频率见表1（此越野车前后驱动桥为同型号）。
3档全油门加速噪声数据验证驱动桥齿轮啮合阶次，见图3
可得定速噪声主要贡献频率与桥齿轮啮合激励频率相吻合，驱动桥激励对加速噪声也有重要贡献。
2.2 改善预测
对噪声数据进行1/3倍频程处理，并进行桥激励改善后整车噪声预测，以50km/h定速数据为例如图4，削去桥贡献峰值可降低车内噪声1.7dB（A）；同理，可以预测削去桥贡献峰值60km/h定速预计可降低车内噪声1.5dB（A）。
由于该桥已为成熟的市场化产品，从桥本体上进行振动噪声优化代价太大，所以考虑从传递路径上优化桥悬置系统，提升隔振性能达到降噪的目的。
3、驱动桥悬置系统的改进设计
3.1 原驱动桥悬置方案介绍
此越野车前后驱动桥为同型号，原驱动桥悬置均采用4个相同的软垫布置安装，方案示意如图4。
以上方案存在诸多缺点：
1. 解耦性差：采用4 个相同的软垫，未根据系统解耦要求合理匹配各向刚度，易存在运动耦合；
2. 动、静刚度大：此结构形式橡胶体厚度小，动静刚度大，且难以独立设计各向刚度；
3. 限位设计缺陷：无合理的线性刚度范围，限位刚度过大。
鉴于以上缺点，改进需要重新进行悬置布置、选型及计算。
3.2 改进驱动桥悬置布置方案与选型
驱动桥悬置系统布置时考虑以下因素：驱动桥总成的重量、扭矩、可靠性、成本和空间等。该越野车可靠性的要求高，传动轴扭矩大，驱动桥安装空间受限。综合考虑以上因素,选用4点式吊挂悬置系统。
悬置形式选用衬套式橡胶悬置，结构简单，成本低，可靠性好。
3.3 静载荷设计
根据驱动桥速比、扭矩，确定悬置的布置位置。通过计算悬置受力、驱动桥俯仰角和侧倾角，设计悬置静载荷和初始刚度。
3.3.1 有效扭矩轴的确定
受力分析可知，半轴反作用于驱动桥壳体的力矩与车轮前进时旋转方向相反；传动轴作用于驱动桥壳体的方向与传动轴旋转方向一致。如图5所示，根据驱动桥主减速比，可以确定有效扭矩轴方向。
3.3.2 悬置位置的确定
根据有效扭矩轴，可确定悬置的布置位置。通过驱动桥的质心，做一条垂直于有效扭矩轴的直线，如图5所示。图中的A和B两点即为理想悬置布置点，由于两点支承不稳定，需要使用3点或者4点悬置系统。
采用4点式悬置系统的布置，调整悬置的等效弹性中心，见图5中两种布置的组合。综合考虑车辆底盘空间，无法实现理想布置，最终确定布置位置（以后桥为例），见图6。
3.3.3 悬置初始刚度的设计
设计悬置的初始刚度，可以计算控制侧倾角、俯仰角，获取最大扭矩时悬置在力-位移曲线的工作点，从而校核和优化悬置的初始位置。
通过供应商的输入的悬置型式最大位移量，初步确定悬置初始刚度，本例Z向初始刚度均取700N/mm。
建立ADAMS力学模型，在低频范围内驱动桥主减速器视为刚体，四个悬置使用4个力元进行模拟，传动轴和半轴的质量对驱动桥悬置系统有较大的影响，因此增加建立1个传动轴和2个半轴模型，并根据实际连接关系施加万向节和移动副等约束，见图7。
初步建立悬置静态力-位移关系模型，计算驱动桥总成的侧倾角和俯仰角型。在1档70%WOT负荷下计算得驱动桥侧倾角与俯仰角如表2。
控制侧倾角，半轴的夹角更小；控制俯仰角，万向节夹角更小；都会有更好的NVH性能。根据开发经验，侧倾角与俯仰角满足性能要求。
3.3.4 模态频率分布设计
当悬置系统的固有频率与相邻部件或子系统的频率接近时将恶化车内的噪声与振动。驱动桥悬置系统刚体模态频率与其他系统的模态频率避开，各相关频率如表3所示。
以驱动桥悬置系统刚体模态频率与表3频率分离为目标，以悬置刚度为设计变量，对悬置系统进行优化，见表4。同时考虑生产成本和安装便利因素，尽量使用较少型号的刚度。
表5为优化后各桥悬置系统的刚体模态频率与振型，该模态振型的方向均在整车坐标系下描述的方向。
3.3.5 静刚度曲线设计
设计悬置的动静刚度曲线，校核各工况下悬置的受力与位移，确保驱动桥总成不与周边
零部件发生运动干涉。
将上节的设计刚度值作为线性段静刚度，将其乘以动静比的刚度作为巡航预载下的动刚度。
进而确定线性段刚度的长度，非线性段刚度以及悬置的最大位移量，悬置的最大位移量可通过设计允许的最大侧倾角进行初步计算。与动力总成悬置设计类似，悬置静刚度曲线的设计通则如图8所示。
计算各向刚度曲线，型号1悬置为例，见图9。
设计静刚度曲线后，还需要对典型工况和极限工况进行校核，以确保悬置在各工况下无运动干涉。在驱动桥总成悬置系统ADAMS模型中，将载荷施加在驱动桥质心处，不同工况下施加的载荷不同。驱动桥悬置系统计算工况见表6，其中G为驱动桥重力，m为驱动桥质量，g为重力加速度。
以后桥为例，校核典型工况与极限工况悬置位移，满足设计限位要求，见附表1。
完成悬置方案设计，以后桥悬置为例，示意见图10。
4、试验验证
驱动桥悬置改进前后在普通B级铺装路面上最高档50、60km/h定速进行车内噪声驾驶员右耳测试数据如图11。可得50km/h定速车内噪声在387Hz降低12dB（A），整车噪声改善1.9dB（A）；60km/h定速车内噪声在465Hz降低10dB（A），整车噪声改善1.4dB（A）。
驱动桥悬置改进前后3档全油门加速车内噪声数据见图12。
综上可得，本次桥悬置改进有效降低了车内噪声。
5、总结
本文针对某越野车巡航时振动噪声问题进行了驱动桥悬置系统正向开发与试验验证，结果表明该设计方案有效降低车内噪声。得出的结论如下：
（1）驱动桥齿轮啮合引起的振动噪声是巡航时车内噪声主要贡献，可通过优化驱动桥悬置改善车内噪声；
（2）本文提出一种驱动桥悬置设计方法，适用于驱动桥悬置系统正向开发，为后续对驱动桥悬置系统设计提供了一种思路和参考。论文创新点：借鉴发动机悬置系统的设计方法，建立包含半轴和传动轴的驱动桥悬置系统ADAMS动力学模型，结合驱动桥工作特性，提出一种驱动桥悬置系统设计方法。
作者：徐东阳1，夏祖国2，任立志3，王成云4
作者单位：东风特种装备事业部（东风越野车有限公司）
来源：2020 年第十七届汽车NVH 控制技术国际研讨会论文集
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