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减振圈解决汽车传动轴的NVH问题 |
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作者：上海纳铁福传动轴有限公司 朱卓选 |
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摘要：NVH是汽车研究与设计过程中既需要一定理论基础又需要大量实践经验才能解决的应用问题。本文阐述了汽车动力系统引起整车NVH 问题的原理，重点分析介绍了减振圈的质量、刚度、阻尼、安装位置等因素对汽车传动轴NVH 问题的影响。
关键词：汽车 传动轴 NVH
1 简介
随着科学技术与制造工艺的发展及物质生活水平的提高，汽车乘坐的舒适性问题日益引起人们的重视，解决好NVH（噪声 振动 异响）问题是改善汽车乘坐舒适性的重要内容，在这之中调控汽车传动轴的异常振动是解决车辆NVH 问题的关键环节之一，而安装减振圈就是调控传动轴异常振动的主要手段。
减振圈是一个质量弹簧阻尼系统，其作用是调控传动轴一阶弯曲模态引起的异常振动，但不会影响传动轴的平衡、扭转等特性。恰当调节减振圈的质量、刚度、阻尼等参数，可以阻断异常振动的传播路径，取得优异的降噪防振效果。
2 传动轴弯曲与减振圈
汽车的动力系统时时刻刻向传动轴作用着各式各样的激振，尤其以发动机的燃烧做功冲击和差速器齿轮的啮合冲击作用最为显著。传动轴的响应与传动轴的尺寸规格、材料特性和边界条件有关，而且理论上是一个拥有无数模态的连续结构。不过通常情况下，只有当传动轴的一阶弯曲模态受到激发时才能引起明显的共振问题；此时外界激励的频率与传动轴本身的一阶固有频率重合，在传动轴中部引起较大的动态位移。
传动轴的振动通过外万向节、轮毂、悬挂将激振能量传递至车身，车身面板受激共振后又将振动能传入腔体，车辆腔体受激共振即发出隆隆的低频噪声。另外，内万向节及差速器齿轮啮合转动的不平稳性还会引起车辆产生波动式耦合噪声和刺耳的尖叫声音。
上述发生的由传动轴一阶基本模态共振造成的汽车NVH 问题可以通过在传动轴上安装减振圈来解决。如图1 所示，可以看出减振圈显著的改变并调控了传动轴的振动特性曲线。
图 1 减振圈的作用效果
与传动轴一样，由钢铁质量、橡胶弹簧组成的减振圈也是一个具有本身固有频率的振动系统。减振圈与传动轴构成的组合系统将具有两个共振频率，分别位于原传动轴的共振点两侧，而且组合系统的两个新共振频率及振动幅度可以通过减振圈的质量、固有频率和阻尼系数来调制。
3 减振圈的特征参数
为了更好的发挥减振圈的作用，减振圈的参数应根据汽车传动轴的实际应用情况合理调制优化。可以优化调节的减振圈特性参数包括：钢圈质量、共振频率、阻尼系数及安装位置。在这些参数中，只有钢圈质量可以随意选取，其余参数应根据汽车传动轴系统动态响应的优化算法来确定。
3.1 减振圈的质量
减振圈钢圈的质量，通常用其与传动轴等效质量之比来表示。该质量比控制着传动轴减振圈系统的两个共振频率之间的距离，一般情况下质量比越大两共振峰相距越远，如图2 所示。
图 2 质量比的作用效果
对于一阶弯曲模态来说，传动轴的等效质量近似等于中间轴质量之半。举例来说，质量比0.25 意味着减振圈钢圈的质量大约是传动轴总成中间轴质量的1/8。从图2 可以看出，质量比大，可以在较大的带宽内发挥减振圈抑制传动轴振动的作用，但是实际上减振圈质量的大小要受到成本、重量及安装空间的制约，不可能太大。
3.2 减振圈的共振频率
减振圈的共振频率与汽车传动轴共振频率之比称为调谐比。调谐比的变化不但影响两峰值点的轴向位置，而且影响两峰值点的相对大小。两峰值点的间距由质量比决定，基本保持不变，如图3 所示。
图 3 调谐比的作用效果
从图3 可以看出，当调谐比大于1 时，系统的振动特性曲线向高频段移动，高端峰值减小，低端峰值增大；当调谐比小于1 时，结果正好相反；当调谐比等于1 时，理论上可以取得最大的汽车传动轴振动响应抑制作用。但是当发动机低速运转时，路噪和风噪相对较强，所以实际上我们通常选取的减振圈调谐比总是小于1。
3.3 减振圈的阻尼特性
减振圈阻尼的大小对其使用效果起着举足轻重的作用，通常用耗散因子表示阻尼的大小。汽车传动轴本身的阻尼主要来源于等速万向节内部的摩擦损耗，其一阶弯曲模态的耗散因子一般为0.1～0.15。增大减振圈的耗散因子可以减小汽车传动轴的共振峰值，如图4 所示。
图 4 阻尼比的作用效果
当减振圈的耗散因子等于或小于传动轴本身的耗散因子时，组合系统的一个或两个共振峰值将非常接近原汽车传动轴的一阶共振幅值。因此，减振圈的耗散因子不能小于0.12，最好大于0.2。
3.4 减振圈的安装位置
从理论上来说减振圈的最佳安装位置在汽车传动轴的中部，但实际上由于周围空间的限制，减振圈通常安装在外万向节附近，如图5 所示，表示不同安装位置的减振圈传动轴系统传递给汽车轮毂的作用力的大小。
从图5 可以看出，当减振圈安装在传动轴中部1/3 区域时，其作用效果并无多大差异；当减振圈安装位置超出传动轴中部1/3 区域时，其改善车辆NVH 性能的作用显著降低。不过，如果减振圈必须安装在传动轴中部1/3 以外的区域，我们可以通过显著加大质量比、改变调谐比等措施强化减振圈的作用效果。
图 5 距离比的作用效果
4 减振系统的结构形式
按照配置方式，弯曲振动汽车传动轴减振圈可分为内置式和外置式两种，如图6 和图7 所示。
图6 内置式减振圈装置 图7 外置式减振圈装置
内置式减振圈通常用于轴管式汽车传动轴内，结构简单，但装配工艺较为复杂。外置式减振圈通常用于中间轴是实轴或直径较小的空心轴汽车传动轴上，装配工艺简单，但减振圈的结构尺寸及安装位置往往受到汽车底盘空间的制约。
5 结论
在当今社会经济活动中，汽车主机厂和零部件供应商共同肩负着产品开发与质量改进的光荣使命，任何一个零部件供应商仅仅满足于自身产品性能的开发与质量的提高是远远不够的。我们应该全面了解自身产品与整车上其它零部件之间的相互作用、相互影响，特别是要注意是否会引发整车的NVH 问题。
安装减振圈是克服汽车传动轴引发整车NVH 问题的有效手段，只要合理地选用减振圈的相关特征参数，就能最大限度地降低甚至彻底消除与汽车传动轴有关的车辆NVH 问题，大大提高汽车的乘坐舒适性。
汽车的NVH 问题是多因素的综合性的问题，任何因素的变化都会或多或少地影响整车的NVH 性能。减振圈的作用效果既要依据结构动力学理论进行设计计算，又要根据车辆路试的实际测量结果进行修正。特别值得一提的是，减振圈所用的弹性元件——橡胶的动态性能会随着环境情况的变化产生较大的差异，例如：温度敏感、松弛滑移、时效老化等，这些变数都是我们在选取初始解决方案时应该统筹考虑的因素。
参考文献
1 陆伟民等. 结构动力学及其应用. 同济大学出版社, 1996
2 胡志强等. 随机振动试验应用技术. 中国计量出版社, 1996
3 C.M.Harris. Shock & Vibration Handbook. chap 36, McGraw-hill Book Company
4 L.L.Beranek. Noise & Vibration Control Engineering. chap 12, John Wiley & Sons Inc(end)
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(5/18/2005) |
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