传动轴动平衡对其振动特性影响分析

摘要：传动轴是影响整车NVH性能的关键部件，为了减少汽车振动及改善乘坐舒适性，运用数学建模和理论分析相结合的方法分析了转子振动的原因，建立了传动轴的振动模型，并对影响其振动的因素进行了分析。结果表明，传动轴质量不平衡是引起其振动的根本原因；传动轴稳态离心力频率与系统固有频率相同且传动轴相对阻尼系数过小时，易引起系统共振。该结果为提高传动轴动平衡精度进而提升整车NVH性能提供了理论参考。关键词：传动轴：动平衡；振动特性：分析随着汽车在生活中的普及，人们对汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性等要求日益提高。因此汽车的NVH问题日益成为高校专家学者及企业工程师所关注的重点。汽车传动系统的振动问题一直是研发过程中被关注的问题之一，而作为传动系统的核心部件，传动轴在高速旋转过程中极易引起汽车振动。为解决传动轴振动问题，文章从引起传动轴振动的原因出发，建立其振动模型，并分析影响振动的因素，为传动轴的开发设计提供理论参考。1 传动轴结构传动轴为传动系统的关键部件，在汽车行驶过程中起到传递动力、扭矩及运动的作用。传动轴总成中，后等速万向节与后主减速器连接，中间支撑通过螺栓与车身固定，挠性盘联轴器与分动器连接。其中，中间支撑和挠性盘联轴器均为橡胶制件，具有吸收传动系中冲击载荷和衰减扭转振动的作用。某车型后桥传动轴总成主要组成部件，如图1所示。

2 转子动不平衡引起振动的原因理想情况下，无论静止还是运动转子都处于平衡状态，转子运动时处于平衡状态的径向分析图，如图2所示。

图2中A为任意一处有质量的点，其离心力按式(1)计算。

式中：m——4点质量，kg；广—_4点距旋转中心距离，mm；∞——转子旋转角速度，rad／s；n——转子转速，r／min。在径向平面内，当转子内部质量分布均匀时，由于转速相等，则各点在径向平面内的矢量和为零，即：

式中：F-各点离心力之和，N；F。，F：，⋯，F，-一径向平面内各点离心力，N。但在实际过程中，转子运行时，由于制造过程中机械加工不精确、材料磨损及材质不均等原因M，造成转子绕旋转中心质量分布不均匀，导致各点的离心力矢量和不为零。根据力的平移定理，可将各点离心力移至B点，如图3所示。B点质量(讹)即为转子质量的不平衡量，转子离心力由转子的质量不平衡引起，则B点离心力(Fo)即为转子离心力，如式(3)所示。

式中：R——日点距旋转中心距离，mm。

在图1所示的传动轴中，离心力随传动轴一同旋转，通过轴承传递至中间支撑，从而引起中间支撑的支反力，然而中间支撑被强迫固定于车身，因此传动轴离心力使得传动轴与中间支撑形成系统强迫振动。由上述分析可知，引起传动轴振动的根本原因为其本身的质量不平衡。由于实际加工精度误差不可避免，因此传动轴的质量不平衡量只能控制在一定范围内，不可能100％消除is-10l。3 传动轴振动模型及分析传动轴质量不平衡引起的离心力相当于作用于整个系统的一个周期性的干扰力，该干扰力激励来源于发动机的不断高速旋转，因此即使有中间支撑和挠性盘联轴器吸收部分能量，该周期性的干扰力所引起的系统振动也不会衰减。图4示出应用弹簧、传动轴质量及阻尼系统建立传动轴的单度振系的振动模型。

由于外来激励具有周期性，因此可将干扰力认为正弦或余弦简谐激振力，按式(4)计算。

单度振系在正弦简谐激振力作用下的微分方程，如式(5)所示。

式中：胁——传动轴质量，kg；传动轴在竖直方向上的位移，ram；c——传动轴阻尼，N·s／mm；后——弹簧刚度，N／mm。求解式(5)，得到强迫振动方程稳态解，如式(6)所示。

稳态振幅，如式(7)所示。

由式(6)和式(7)可知，在简谐激振力作用下，传动轴所受强迫振动也为简谐振动；Y与传动轴的离心力成正比；由于阻尼存在，强迫振动的相位角与激振力的相位角相差φ角。为进一步了解传动轴稳态下振幅与其影响因素的关系，引入以下物理量和关系式：

式中：p——传动轴在无阻尼振动时的固有圆频率，取决于系统特性，与初始条件无关；σ——传动轴稳态离心力频率与系统固有频率之比；p——传动轴相对阻尼系数，即实际阻尼与能引起系统振动的临界阻尼之比；y0-—传动轴静止状态下的最大静位移；旷—传动轴稳态下振幅与静止状态最大静位移之比。由式(7)～(12)可得：

为直观了解传动轴稳态下振幅与其影响因素的关系，运用Matlab软件对振动模型进行仿真，对其数据进行整理得到传动轴的幅频曲线，如图5所示。

从图5可以看出，1)当p=1．0时，传动轴稳态振幅呈递减趋势，是因为传动轴的实际阻尼未达到系统振动的临界条件。2)当P<1时，盯的大小对传动轴稳态振幅有较大影响：a．当or趋于0时，即传动轴转速为0时，其振幅即为静止状态时的最大位移；b．当0<σ<1时，随着or增大，稳态振幅递增；当σ>1时，随着σ增大，稳态振幅递减直至0。c．当σ=l时，传动轴稳态振幅在相应状态最大，是因为传动轴的转动频率与系统的固有频率相等，从而系统产生共振现象。3)无论P为何值，当σ增大到接近3时，y均降至o，这是因为传动轴稳态离心力频率方向改变过快，传动轴来不及跟随，几乎停止不动。由此可知，为避免共振，在设计开发传动轴时，应使传动轴的设计转动频率避开其本身固有频率；同时，控制传动轴的阻尼，使其大于或等于临界阻尼。

4 结论1)通过对传动轴振动的原因分析得到传动轴质量不平衡是引起汽车振动的根本原因；2)通过对所建立的传动轴振动模型进行分析，得到系统共振的条件；3)为避免系统共振，设计开发传动轴时，应使得传动轴的设计转动频率避开系统的固有频率；4)传动轴实际阻尼大于或等于系统振动的临界阻尼时，无论频率大小都不会引起系统共振。

作者：刘永军 许超楠 张秀明 于春博 马相涛作者单位长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心

来源：汽车工程师