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基于汽车NVH提升的传动轴优化仿真分析与实验验证
2021-12-17 00:00:09· 来源：汽车NVH之家
摘要：Birfield球笼万向节具有等速传递、附加弯矩平稳等优点。结合传动轴中间支承的振动对传动轴动力性能和车内噪声的影响，提出采用将中间十字轴万向节替换为Bi
摘要：Birfield球笼万向节具有等速传递、附加弯矩平稳等优点。结合传动轴中间支承的振动对传动轴动力性能和车内噪声的影响，提出采用将中间十字轴万向节替换为Birfield球笼万向节的设计方案。通过ADAMS虚拟样机对三段式十字轴万向节传动轴和Birfield球笼万向节传动轴在不同输入转速、不同主轴轴间夹角条件下进行仿真，分析表明Birfield球笼万向节传动轴的中间支承振动加速度变化和转矩波动更趋于平稳。分别对装有两种传动轴的实验样车进行整车车内噪声实验对比分析，实验表明Birfield球笼万向节能有效改善车内噪声，在中低速区域明显低于十字轴万向节传动轴车辆约5dB，提升了整车NVH性能。
前言
汽车 NVH（noise，vibration，harshness）的提升一直以来是业界关注的焦点。对于前置后驱车而言，传动轴的性能对汽车NVH有着显著的贡献。因而，研究万向节以提高传动轴性能一直是学者研究的热点。VESALI［1］等人主要研究了万向节的动力学特性，并分析了中间轴转矩波动规律。GUO［2］等人通过空间解析法分析了十字轴万向节的运动学特性，并用Matlab分析了其角加速度变化规律。RAHMAN［3］等人在相同的传动轴角度变化条件下，对不同材料的传动轴进行了有限元分析，得到了与其对应的转矩变化。周萍［4］等人对球笼万向节工作主参数进行了详细介绍，并从万向节内部结构分析了传动轴振动问题，得到了传动轴的临界转速。赵骞［5］等人针对由十字万向节传动轴激励导致车内振动噪声情况，从激励、传递路径和响应等方面分析了其原因，并给出了问题分析流程，但未针对提出的解决方法做进一步的研究验证。对于传动轴中间支承的振动情况，相关学者也做了一定的研究。夏元烽［6］等通过调节传动轴中间支承刚度，缓解了车内轰鸣噪声。宋海生［7］等人研究了多个万向节的运动学特性，以传动轴中间支承处和输出端角速度波动最小为目标函数对万向节进行相位优化设计。KANG［8］等人设计了一种浮动中间支承，能减小多万向节传动轴系由轴间夹角变化引起的动态波动，并通过MapleSim平台仿真验证了浮动中间支承的浮动区域的正确性。卢剑伟［9］等人介绍了一种基于Hertz定理的建立十字轴与主动轴叉的二状态模型方法，并详细介绍了考虑万向节传动间隙的3自由度车辆摆振动力学模型，相关方法有助于研究动力学模型建立以及车辆振动问题。国内外学者采用多种理论方法，指出十字轴万向节输入输出轴轴间夹角、动不平衡是导致传动轴一系列激振与耦合以及影响传动轴性能的基本因素。通过对轴间夹角、中间支承等的调校改进，可优化传动轴自身振动，提升传动轴性能。但以上研究均局限于十字轴万向节串联系统的优化，并未对各十字轴万向节附加弯矩对传动轴激励的影响进行研究与描述，对球笼万向节与十字轴万向节配合应用的传动轴研究也较少。本研究将中间十字轴万向节替换为Birfield球笼万向节，两端仍采用十字轴万向节的新型传动轴结构设计方案进行研究，并对改型前和改型后的传动轴进行动力学分析，在不同输入转速、不同主轴轴间夹角条件下进行ADAMS虚拟仿真分析和整车实况噪声分析对比，以验证此新型设计方案是否可行，能否有效提升整车NVH性能。为汽车NVH的提升提供理论依据。
1 万向节动力学分析
单个十字轴万向节为非等速万向节，存在夹角时，输入转速、转矩将出现周期波动特性；而Birfield球笼等速万向节在任意夹角情况下，输出端都能保持与输入端相等的转速与转矩，极大地优化了动力传递平顺性。
1.1 十字轴万向节动力学分析
图1为典型的十字轴万向节结构图，图2为其结构简图。
图1 十字轴万向节结构图
图2 十字轴万向节结构简图
单个十字轴万向节在使用时具有非等速性，输入输出转矩不在同一直线上，十字轴万向节中存在附加力矩T′，将会对十字轴万向节前后支承处造成径向激励。一般情况下，十字轴平面法线不与T1和T2共线，主动叉平面与从动叉平面法向存在附加力矩 T1′和 T2′。可描述为［10］
式中θ1为动力输入轴转角。依据上式可知，十字轴万向节输入与输出附加弯矩存在周期性波动，将对传动轴的支承产生激励。主动叉与从动叉产生的附加弯矩均会在万向节前后支承上产生激振力。
1.2 球笼万向节动力学分析
图3为盘式Birfield球笼万向节结构图，图4为其剖视图。
图3 盘式Birfield球笼万向节结构图
图4 Birfield球笼万向节剖视图
其中，6个钢球依靠内外滚道的弧度特性，在输入、输出轴形成夹角α时，其钢球形成平面始终保持在轴间夹角平分面β上。对于每个钢球，钢球球心到输入轴轴线距离a与输出轴的距离b相等，满足万向节等速传递特性。因此，输入轴转速ω1等于输出轴转速ω2，有
因此Birfield球笼万向节输入转矩T1与输出转矩T2大小相等，实现等矩输出。当Birfield球笼万向节输入轴与输出轴不共线时，输入轴钟形壳与输出轴星形套上均存在一附加弯矩T1′和T2′。T1与T1′的矢量和T co1大小等于 T2与 T2′的矢量和 T co2大小，方向相反且均垂直于钢球球心所在平面，即轴间夹角平分面β。输入轴与输出轴夹角α固定后，钢球球心所在平面也随之确定，并在之后的运转中不发生变化，因此钟形壳与星形套上的附加弯矩大小相等且不变，即
附加力矩将不随万向节旋转角度θ的变化而变化，Biefield球笼万向节输入端支承与输出端支承上受力平稳，可保证传动系运转稳定。
从动力学分析中可看出，Birfield球笼万向节的性能优于十字轴万向节：（1）输出平稳，Birfield球笼万向节可等转速等转矩输出，这可减轻万向节连接的后续部件的扭振情况，布置时不必过多考虑万向节的位置情况以满足输出等速性要求；（2）附加弯矩平稳，稳定的附加弯矩可有效降低万向节前后支承位置的激振，优化支承受力情况，有助于传动系统的平稳运行；（3）恶劣环境下的稳定运行，在轴间夹角变化剧烈的场合，万向节可在任何许用角度内实现等速等矩输出，6个钢球可以承载较大力矩，具有较好的传力特性。
2 传动轴仿真分析
针对研究车型在MSC.ADAMS虚拟样机中建立三段式十字轴万向节传动轴和Birfield球笼万向节传动轴模型，并在不同转速、不同主轴轴间夹角的条件下对其进行仿真，分析对比两种传动轴的输出特性、中间支承振动和传递效率。
2.1 传动轴总成约束分析
图5和图6分别为三段式十字轴万向节传动轴和Birfield球笼万向节传动轴的三维模型。
图5 三段式十字轴万向节传动轴模型
图6 Birfield球笼万向节传动轴模型
将以上模型分别导入ADAMS虚拟样机中，并添加约束与驱动。
图7是对十字轴万向节与Birfield球笼万向节的约束添加示意图。
图7 十字轴万向节与Birfield球笼万向节约束添加
图7 （a）中的十字轴万向节，其前后采用铰链副将主动叉与十字轴、从动叉与十字轴进行约束连接。图7（b）中的Birfield球笼万向节，钟形壳与外壳施加固定约束，外壳与钢球、钢球与保持架、钢球与星形套施加接触力约束，通过Birfield球笼万向节实现等速传递。
图8为两种传动轴的中间支承约束示意图。在中间支承处的水平方向与垂向方向建立辅助平面用以添加模拟中间支承支架与轴承的弹簧阻尼约束。
图8 中间支承约束示意
图8 中，传动轴中间支承内圈作为橡胶减振环等效的弹簧阻尼约束的目标部件，第1辅助平面作为弹簧阻尼约束的另一目标部件，该等效弹簧阻尼参数设置为刚度45N／mm，阻尼率0.3；第1辅助平面添加滑动副，与第2辅助平面之间添加等效弹簧阻尼约束，该等效弹簧阻尼参数设置为刚度475N／mm，阻尼率为0.002；第2辅助平面与大地固连。水平与垂向方向采用相同方法进行约束。三段式十字轴万向节传动轴与Birfield球笼万向节传动轴的中间支承约束添加一致。
图9为传动轴输入与输出端的约束示意图。在传动轴前后端添加定位块并添加移动副以方便改变前后端万向节角度，三段式十字轴万向节传动轴与Birfield球笼万向节传动轴对定位块的约束添加一致。
图9 传动轴输入与输出端约束示意
图9 （a）中，对传动轴滑动叉与变速器输出花键滑动连接采用圆柱副等效，并与前定位块关联，用以补偿驱动后桥上下跳动时传动轴的轴向窜动。图9（b）中，输出法兰则采用铰链连接，与后定位块关联。定位块移动，传动轴输入端与输出端也随之移动并产生一定的夹角关系；传动轴驱动可在滑动叉圆柱副上施加一旋转驱动。
2.2 传动轴总成仿真分析
对传动轴总成进行仿真设置。仿真过程中，选定轴间夹角系列 3°，4°，5°，6°，7°作为分析变量。传动轴前后轴管夹角通过改变传动轴前后定位块垂向方向Y上的位置来实现。传动轴输入由定义在滑动叉圆柱副上的旋转驱动来实现，其通过step函数进行控制。输出端的阻力由施加在输出法兰上的反力矩提供，该力矩由所研发车型整车行驶阻力矩经验公式得到，通过主减速器速比折算为传动轴输出端载荷。整车行驶阻力矩经验公式为
图10 传动轴所有约束与驱动添加示意图
式中：T为整车阻力矩，N·m；v为车辆速度，km／h。
仿真计算结果仅观察在到达预设转速1 000r／min后的平衡状态下传动轴响应情况。转速系列以500r／min为步长，1 000～4 500r／min转速区间中确定的8个转速，涵盖传动轴低速到高速的响应特性。
2.3 虚拟实验结果分析
在整车性能研究中，由于传动轴垂直方向（Y方向）对汽车NVH的影响最为显著，故此，只对Y方向的影响性能进行实验分析研究。
2.3.1 中间支承振动对比分析
图11为两种传动轴的中间支承振动加速度对比。
图11 中间支承振动加速度对比
对比图11（a）与图 11（b），Birfield球笼万向节传动轴在不同主轴轴间夹角状态下，具有更低的垂向方向Y振动加速度，且不同夹角下振动加速度曲线重合，振动性能良好。整体而言，Birfield球笼万向节传动轴较三段式十字轴万向节传动轴在中间支承垂向方向Y上振动加速度小；在整个中间支承上，Birfield球笼万向节传动轴具有更优的主轴夹角适应性与更加平顺的振动加速度- 转速曲线，可以较好地提升整车NVH性能。
2.3.2 动力波动对比分析
图12为两种传动轴的输入端转矩波动幅值差对比。
图12 传动轴输入端转矩波动幅值差对比
对比图12（a）与图12（b），当主轴轴间夹角为3°与4°时，两种传动轴的力矩波动幅值差较小，且差别不大。当主轴轴间夹角为5°，6°，7°时，随着转速的增大，三段式十字轴万向节传动轴的力矩波动幅值差上升较快；而Birfield球笼万向节传动轴的力矩波动情况较为平稳，传递性能良好。总体而言，Birfield球笼万向节传动轴在主轴轴间夹角变化过程中，力矩波动幅值差较小，传递较平稳，这有利于减小其自身扭振和改善前后动力传递部件的工作状况，降低底盘动力传递系统的冲击，能较好地提升传动系乃至整车的NVH性能。
2.3.3 效率对比分析
图13为两种传动轴的传动效率对比。
图13 传动轴效率对比
对比图13（a）与图 13（b），三段式十字轴万向节传动轴在3 000r／min之后，不同主轴轴间夹角状态下传动轴将产生不同的效率低谷值，各夹角状态下的谷值差异较大，对应产生的转速也不尽相同；而Birfield球笼万向节传动轴各主轴轴间夹角状态下的效率曲线基本重合，未产生明显的效率低谷，动力传递性能平稳。在4 000r／min之前，Birfield球笼万向节传动轴各角度下传递效率均高于三段式十字轴万向节传动轴。
表1为每种主轴轴间夹角下传动轴效率均值的计算。
表1 主轴轴间夹角下传动轴传动效率均值
由表1可知，两种传动轴在主轴轴间系列夹角下的传递效率平均情况。Birfield球笼万向节传动轴的传递效率较三段式十字轴万向节传动轴提升0.46%～0.63%，平均效率不随主轴轴间夹角的变化而产生明显提升或降低。
3 整车车内噪声实验分析
为探究Birfield球笼万向节传动轴对其匹配车噪声性能影响，对实验样车进行道路噪声测试，测试过程包括5挡全油门加速工况、5挡带挡滑行工况和5挡匀减速工况。
3.1 整车车内噪声实验方法
实验采用西门子公司旗下的LMS Test Lab系统对车内噪声进行数据采集和集成实验。图14为LMS Test Lab测试界面与信号采集集成设备。
图14 LMSTest Lab测试界面与信号采集集成设备
试验前，将高灵敏度传声器同时布置于中排座椅靠枕侧边与后排座椅靠背顶部中间位置，用以采集信号。实验车辆在满载状态下，在A级道路上进行3种工况测试。具体操作步骤如下。
（1）5挡全油门加速
测试开始前，车辆挂5挡行进，测试从发动机1 000r／min全油门踩下加速至 3 800r／min，LMS系统记录全过程中车内中排与后排噪声情况。
（2）5挡带挡滑行
发动机到达3 800r／min后，完全松开油门带挡滑行，发动机转速自然下降至1 000r／min，LMS系统记录全过程中车内中排与后排噪声情况。
（3）5挡匀减速
再次将发动机加速到3 800r／min后，逐步松开油门，保持发动机转速均匀下降，发动机转速下降至1 000r／min。LMS系统记录全过程中车内中排与后排噪声情况。
3.2 车内噪声实验结果与分析
3.2.1 车内中排噪声结果
传动轴中间支撑的振动通过中排地板传递进车内，因此中排噪声是作为评价传动轴中间支承性能的主要因素。图15为同一车辆在3种行驶工况下两种传动轴中排车内噪声情况。
图15 3种行驶工况下车辆中排噪声
图15 （a）中，Birfield球笼万向节传动轴车辆的中排噪声在中低速区域明显低于三段式十字轴万向节传动轴车辆约5dB，在中高转速噪声降低约2dB。图15（b）中Birfield球笼万向节传动轴车辆的中排噪声在中速区域较十字轴万向节传动轴车辆降低约2.5dB，在中高速区域噪声情况较十字轴万向节传动轴车辆平稳，且噪声略有下降。图15（c）中Birfield球笼万向节传动轴车辆噪声平稳无明显波动。总体而言，Birfield球笼万向节传动轴相对十字轴传动轴对车内中排噪声情况具有改善作用。
3.2.2 车内后排噪声结果
测试中的后排噪声反映传动轴输出对后桥产生的影响，作为传动轴对车辆传动系性能影响的一个评价指标；后桥噪声也是车内噪声的重要来源之一。图16为同一车辆在3种行驶工况下两种传动轴后排车内噪声情况。
图16 3种行驶工况下车辆后排噪声
图16 中，Birfield球笼万向节传动轴车辆加速工况下的后排噪声在1 300～2 200r／min区间明显低于十字轴万向节传动轴车辆约3dB。从车辆道路测试后排噪声结果可看出，在加速工况的中低速区，搭载Birfield球笼万向节传动轴车辆后排噪声较搭载十字轴万向节传动轴车辆得到有效抑制。
综合中排车内噪声与后排车内噪声表现可以得出结论，Birfield球笼万向节传动轴可有效改善车辆车内噪声，良好地抑制了传动轴中间支承振动噪声，对整车NVH性能具有提升效果。
4 结论
通过对十字轴万向节和Birfield球笼万向节动力学对比分析、两种万向节传动轴的中间支承振动、动力波动和传动效率的虚拟仿真对比分析以及搭载两种传动轴的整车噪声实验分析可知，Birfield球笼万向节传动轴的附加弯矩平稳，能更好地降低传动轴中间支承振动和力矩波动，传递效率更高。并且，搭载Birfield球笼万向节传动轴车辆的中排噪声在中低速区域明显低于三段式十字轴万向节传动轴车辆约5dB，在中高转速噪声降低约2dB，车辆后排噪声也得到了良好的抑制。总体而言，Birfield球笼万向节传动轴起到了降低中间支承振动和车内噪声的作用，对今后改进整车NVH性能提供了参考。
作者：徐劲力，潘青姑，陈端滢；武汉理工大学机械工程学院
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