分析丨动力总成的弯曲导致的NVH问题

来源：汽车NVH云讲堂

1、问题描述

发动机弯曲共振由于能放大整车振动和噪声而备受NVH 关注，大多数问题在200Hz以下都是以噪声的形式表现出来尽管某些可触摸的感觉也存在。除此以外，像后轮驱动车如果在某些不平衡旋转部件共振时操作就可能遇到过动力总成结构上的问题。对于6缸或以上的发动机最频繁的问题就是扭矩的敏感性和一种叫做呻呤的动力总成弯曲共振模式。对于四缸机，主要的还是2阶内力的激励，而这种呻呤要少于扭矩敏感度的影响。

2、全面讨论

结构或机械共振一般发生在这种频率下，其结构刚度和内部特性是在一种平衡的状态下引起了较大的振动峰值。当结构被某一共振频率激励时，唯一的阻抗就是阻尼特性，但它的作用不大，振动结构的这种空间模型叫做“mode shape”。最下面的悬挂系统属于减震系统，为了起到更好的隔振效果它们的频率比结构模型的频率应该低很多，这种隔振系统往往涉及到刚性体和结构模型的柔性体，这章主要涉及到动力总成的柔性模式。在通常的应用中，弯曲就是一种长长的，苗条的物体变形，就像发生在弓箭上被拉回的弦一样，而在工程术语中，当欧拉-贝努利横梁理论假设成立，简单的纯弯曲就发生了，这个理论对于长的，苗条的物体当弯曲发生在简单平面上时是有效的。对于这种特殊的条件，这个mode shape就可以在任何2维坐标中得到描述。在一定程度上，传统的后轮驱动动力系统就已经遇到了这个标准，产生了一个叫做第一次垂直弯曲模型的术语。然而，在其他的条件下，3坐标模型就涉及到弯曲，扭转，及其他的变形形态。为了跟上历史上的用法，这里的动力总成弯曲不仅仅指的弯曲，还包括其他所有的模式。在共振频率下只要很小的激励，动力总成就会响应它的弯曲模态。像起动机或发动机附件这些次级系统的共振响应在遇到这个弯曲模态时就会在低频和高频产生弯曲响应。在频率上接近的两个模态产生的响应比单个的模态产生的响应对NVH有更恶化的影响，解决这个问题的较为仔细的程序就是做模态测试。

3、后轮驱动的动力总成弯曲

后轮驱动动力总成结构是不连续的，以至于发动机，传动轴，和轴套结合产生的共振以同步与不同步出现，一个典型的动力总成第一阶模态显示了这个节点，最后与动态系统相互作用的传动轴是微不足道的。真正的设计标准就是系统的共振频率就是第一阶弯曲频率，系统的共振频率要低于单个部件的模态频率。如果激励足够大，那么在第一阶共振频率下运行发动机就会产生严重的部件压力，那么像传动轴引起的这种旋转不平衡或偏心就需要特殊的控制，特别是当刚度不够引起更大的速度偏心、系统共振峰值增加和载荷迅速累积。尽管部件可以设计以解决实际中不平衡或偏心问题，但是为了均匀的压力而设计的铸造工艺或消除应力集中还是需要的。其它的激励包括所有的旋转不平衡或偏心机构，万向结，不平衡的发动机力和扭矩，发动机点火频率扭矩反作用，和发动机附件有关的阶次。其他的在共振条件下运行的结果还有如可触摸的或可听到的对乘客的扰动、支架或发动机附件的疲劳破坏和控制系统的破坏等。

4、前轮驱动的动力总成弯曲

当今前轮驱动动力总成通常被设置成带半轴的发动机本体，离合器和变速箱总成集合。在前轮驱动车上的发动机、变速箱和轴的结构连接消除了鞘钉连接带来的彼此相互作用的子系统，因为这个原因，前轮驱动的动力总成共振模态通常比后轮驱动的要高一些。除此之外，像与半轴有关的较短、较细的部件也得有较高的模态。然而，半轴设计用花键代替滚珠以防松和抗疲劳损坏还有阻止进入弯曲系统中的一些悬挂特性。前轮驱动的动力总成由于它们的结构紧凑、不对称的外形通常产生不止一个弯曲的模态，这就是为什么在U-驱动结构中用一个分动箱将驱动桥安装在发动机一侧。一般后轮驱动车的振动模态由他的垂直加速度决定，而前轮驱动就不同，它需要现代模态分析技术通过分析及试验来确定它的模态振型。在设计过程中模态分析是必需的部分，因为它可以确认动力传动系统的弯曲目标是否合理有效，如果有必要设计人员必须研究3维模态振型以确认需要改正优化的部分，在图1中显示了前轮驱动的弯曲模态，动态分析更加加强了模态振型的视觉效果。

5、动力传动系统弯曲设计注意事项

动力转动系统弯曲共振的基本设计目标就是让最低的结构模态振型高于整车最高的频率发生。一些特殊的需要在共同设计需求里面可以找得到，参考附录E——动力传动系统弯曲与附件共振。设计需求还提供了测试结果修正以找出试验结果与实际共振频率的差异。除了试验校正外，还应该对设计弯曲共振需求加上15%的频率安全余量。扩大后出现高于或低于共振频率的情况是由于响应峰值的宽度有限。对所有的动力传动系统的弯曲模态覆盖标准由实际NVH目标决定，已经发现在整车上并不是所有的弯曲模态都会产生NVH扰动，如果模态不是由很强的发动机力激励产生或者模态处于整车低响应的节点上，那么它对用户就可能不会产生较明显的扰动。对于后轮驱动的4缸机车垂直弯曲模态大多会产生NVH问题，然而对于某些装置U型驱动模态就可能不会是什么大问题。对于一辆正在生产中的整车，如果没有特别明显的NVH问题出现就没有必要再增加它的响应模态频率。但是，在当今的技术范围内我们还没有办法对一种新的整车或动力传动系统作早期的判定是否某些特殊的模态会出现问题。因此，既然在没有什么特殊的规定情况下，减少成本和重量比起结构的提高要容易得多，那么最谨慎的方法就是在每个case中都达到我们预期的设计目标。下面是达到这些要求的实际经验。

5.1 加强筋

对动力总成结构，加强筋是获得高硬度值的一种方法，而且还可以减少重量和成本。保持两个螺栓连接面的连续性的最大连续加强筋长度应该用到，加强筋应该沿着模态变形最大值区域和弯曲模态振型全息成像下边沿正确的角度布置。发动机加强筋应该和附件匹配的凸台混合在一起以提供刚性连接点，在许多情况下，发动机的加强筋应该延伸到铸件上以增加材料单位质量的组合性能。加强筋和断面的增加还可以使铸件在加工过程中稳定和减少废料。

5.2 深裙式缸体

在曲轴中心线下部拓展发动机缸体会增加与变速箱连接螺栓的跨度，较低的耳朵应该尽可能与油底壳上表面一样高，水平跨度应该与飞轮壳的宽度一致。较低的耳朵应该固定在油底壳连接螺栓中心线外侧而且在缸体上以较好的角度张开。一个深裙式缸体油底壳的结构变化对它本身的结构刚度没什么影响，但是可以通过较好的铸造工艺来提高。

5.3 油底壳的结构

连接发动机和变速箱的螺栓跨度可以随着油底壳的结构改变而增加，这个改变就是在曲柄中心线下面提供一个夹紧力，然而这就要求油底壳与发动机之间的密封条密封作用相当好。

5.4 缸体的后面

用最大可能的螺栓模式和加强筋可以在缸体中的螺栓孔提供一个统一的压力场，为了加强变速箱连接螺栓的安装这种加强筋一定不可去掉，而且连接螺栓应该从变速箱一侧安装在缸体的后面，还应该加厚法兰盘以防止局部变形。

5.5 起动机

起动机应该用螺栓安装在曲柄中心线以上的缸提上，因为那儿的发动机和变速箱的相对运动较小，起动机应该有支撑体支撑而且还应该固定在缸体上，如果起动机必须悬空，那么就得有一个刚性支架将起动机的电刷尾端一起固定在缸体上，电机仍然该安装在缸体上以提供对变速箱的安装强度。

5.6 变矩器离合器壳

这个壳必须和变速箱壳一起铸造以防止其模态振型的不一致，设计时应该尽可能设计成圆锥形。控制后轮驱动发动机弯曲较合理的动力转动系统包括一个短的、刚性的延展转换器，一个匹配的万向结，一个较轻的、刚性的传动轴。这些标准已经用两条带有一个中心轴承的传动系统实现，所有的纵向滑动都可以在这个中心轴承中实现。系统通常将这个转换器的尾段移到靠近一阶和二阶模态的节点上。由于这两根轴短而且硬度高，质量较小、旋转不平衡较小因此可以降低一阶不平衡力，弯曲系统的柔性质量被降低了因此增加了共振频率。但是，这些优点全是建立在其他NVH问题继续存在和远远高于一条传动系统成本的基础上，现在的一些较轻的材料可以作为这个双传动轴的代替品。

6 实验分析过程

6.1 模态分析试验

发动机弯曲是与高频振动有关的需要当代最好的模态分析设备、软件、及试验流程。像上面提到的，像发动机附件这样在我们感兴趣的频率范围产生共振，就必须包括在模态振型决定因素里面，像铸件这样的基本结构的响应必须被确定，响应的数量和分布应该遵循下面的论述：能从局部变形区分基本行为、识别控制弹性区间、消除最小节点响应区。测试时自由状态、固定设备和整车的边界条件是系统错误的根源，刚性支撑不能用来代替隔振和柔性装置如悬挂。系统中，在卸载或不旋转条件下，当传递扭矩但非线性清除响应时滑动连接表示了一种静态摩擦特性，在加入悬挂质量到前轮驱动车发动机测试时这种滑动的阻力就被发现了，在实验室人工的加上一些约束到后轮驱动发动机的滑动叉可以得到较高的频率。

6.2 发动机迁移率测试

后轮驱动发动机的弯曲共振基本被它们的发动机本体、变速箱、离合器、传动轴支配，当两个部件的连接点上的迁移率统一而且信号相反，这个联合系统就发生共振，迁移率曲线已经被用来检查传动轴、动力总成变化对系统性能的影响。自然的传动轴的滑动叉被安装在变速箱里面作为万向结十字轴的响应测试装置，上面提到的边界条件和力要小心的使用。悬空的滑动叉因为有很大影响必须设置一定的尺寸，在没有过约束和滑动表面时清除除去。为了获得被一个不完整花键带动的旋转叉运动真实情况，方法就是在空间90度范围内用两个薄片将这个叉以某一个角度锲入这个衬套里面。传动轴的迁移率曲线可以通过测试或计算机程序获得，因为一些原因待确定，所以这个流程的预期目标要比实际的整车路试结果要高7Hz左右。

6.3 噪声源识别

近场噪声强度的测试可以用来确定高振动幅值的位置，这个位置可能还会是空气噪声的来源，被怀疑的区域应该通过测试手段来确认噪声辐射是否很强，加强筋在一定范围内可以使局部的噪声降低。