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汽车传动轴 NVH 案例研究及改进

2021-12-10 12:42:28·  来源：汽车NVH云讲堂  
　
作者 | AAM 亚洲总部及研发中心，上海 200120来源 | 汽车NVH云讲堂摘要: 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
作者 | AAM 亚洲总部及研发中心，上海 200120
来源 | 汽车NVH云讲堂
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
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。


图1 车辆驱动形式
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 ～ 20 km / 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。


图2 传动轴结构
( 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 120 km / 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 120 km / 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 ～ 160
Hz 上出现一个频率的尖峰，如图 3 所示。


图3 传动轴在整车上的固有频率
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 4 600 r / 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 4 600 r / min 时的 2 阶频率为 4 600 × 2 ÷ 60 =153. 3 Hz。由此得出结论: 传动轴在发动机处于 4 600 r / 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。


图4 底盘频率波形图
( 3) 解决方案及验证
解决方案: 最理想解决该问题的方法是错开发动机4 600 r / 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。


图5 方法1中传动轴的固有频率
② 方法 2: 将两段传动轴的轴管外径由 63. 5 mm 增加至70 mm，轴管壁厚不变。经过测试， 固有频率显著升高至 187. 5 Hz，如图 6 所示。


图6 方法2中传动轴的固有频率
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 4 600 r / min 转速时，尖峰已经消失。


图7 传动轴改进后底盘频率波形图
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:
【1】王东川． NVH 材料在汽车方面的应用． 汉高股份有限公司宣讲材料， 2006．
【2】靳晓雄，张立军，江浩． 汽车振动分析［M］． 上海: 同济大学出版社， 2002: 18．
【3】Universal Joints: Survey NO． 45［J］． Engineers' Digest，1973，34
( 12) : 57 － 61．
【4】WAGNEＲ E Ｒ，COonEY C E． Universal Joint and Driveshaft Design
Manual［J］． The Society of Automotive Engineer， 1991．
【5】刘世恺． 汽车传动系统构造原理［M］． 北京: 人民交通出版社，1996: 159．
【6】( 德) 切梅兹． 万向节与传动轴［M］． 北京: 北京理工大学出版社， 1997: 3 － 5．
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