汽车传动系统扭振问题的优化分析

唐 冲　梁 甲

汽车传动系统扭振问题的优化分析

唐 冲梁 甲

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）

汽车传动系统在工作时会产生非常明显的振动和噪声，在车辆前进行驶过程中，汽车传动轴产生高速旋转，由传动轴本身扭转产生的弯曲和扭转振动会激起车内明显的振动和噪声，当车内振动和噪声水平达到一定程度时，会导致客户体验下降，抱怨度增加。文章通过传动轴万向节优化，改善整车行驶扭振问题，提高车辆动态品质。

传动系统；传动轴；扭振；万向节

引言

NVH是Noise，Vibration和Harshness三个英文单词首字母的缩写[1]，总体概括了汽车噪声、振动和舒适性等各项指标。当汽车内部各项结构振动的时候，一般会产生噪声，进一步可能会影响到车内乘坐人员乘坐时的舒适度，反过来若是乘坐舒适度有问题的时候，相应的噪声振动问题肯定会存在。因此，三者在车辆噪声振动中是同一时间产生而且又紧密不可分割的，所以人们经常把它们放在一起进行综合分析判断。简而言之，乘客在汽车中的一切视觉、听觉乃至触觉感受与反馈都是NVH需要分析的领域，各车辆系统主要零部件及整车的NVH性能指标都是需要进行分析的主要内容。

行业一些相关调查显示，NVH的质量高低是客户购买汽车的一个非常重要的影响因子。在所有汽车客户投诉的问题清单之中，与NVH类问题有关的大概1/3，售后类服务问题与NVH有关系的约占1/5。汽车传动系统在工作时会产生非常明显的噪声和振动。在车辆正常行进的过程中，汽车传动轴旋转速度非常高，传动轴本身的扭曲和弯曲振动会引起明显的噪声和振动问题。当车内的噪声和振动达到一定程度时，会导致用车客户体验感变差，投诉概率增加。

受NVH影响的问题，一般会表现在两个方面：首先是设计方面的缺陷。在设计开始的时候，设计师们没有意识到会有错漏之处，在汽车上市销售后却突然反馈回来了明显的NVH问题。其次在汽车生产过程中，出现了某些NVH问题，如由于某些问题的疏忽而导致某一品牌的某一批车型出现一些品质方面的问题。

本文针对某后驱车型传动轴的扭振问题，拟研究传动轴与变速器端由十字轴式万向节改为联轴器柔性万向节后，对整车NVH性能的具体改善效果，为后续车辆传动系统的开发应用提供经验与借鉴。

1　扭振问题背景描述及分析

1.1　背景描述

对于汽车而言，与NVH相关的问题可能会无处不在。具体而言，它可以分为底盘系统、车身系统、发动机系统三个方面。更深一步可分为道路驾驶、空调、空气动力学、制动等部分。虽然它看起来像是独立的问题，实际上它们互相之间又是密切相关的联系。例如，汽车轮胎不仅会负责汽车向前行进，而且还与车辆的动力传动系统、悬架系统、制动系统相连。整个车辆结构中又都包含这三个系统，车辆的主要载体又是在车身结构上。因而NVH是一个复杂的受多方面影响的系统性问题，各个系统又是受到彼此影响的。

某后驱MPV车型在进行下线动态评价时，在2档、3档、4档的急加速和高速行驶时，发现车内有明显的轰鸣、振动感，严重影响驾驶、乘坐体验。

1.2　分析

来自传动系统的扭矩上下波动、发动机的激励、传动轴和后桥主减速器器自身的动态不平衡、万向节产生的额外弯矩、刚度过软或者过硬的中间支撑等影响因子都会引起传动系统的异常振动和噪声，对乘客的舒适度产生大大的影响，用户的良好体验感也会降低。

对于长轴距汽车而言，传动轴通常会被分段（两段或三段），这样做的主要目的是为了缩短每一节的长度，可以达到提高刚度和单段的固有频率的效果，以此来提高整个传动轴的临界转速值[2]。中间支撑应设置在前、后传动轴的中间位置，中间支撑的轴承由橡胶包裹并与传动装配在一起后安装在下车体上，橡胶的弹性变形可以吸收部分传动轴在轴向和圆周方向公差导致的安装误差，以及悬架和发动机的弹性元件变形、前进的过程中后桥上下跳动引起的角度变化和轴向位置变化。

传动轴总成主要应用在汽车前进过程中，在变速器与后桥之间相对位置不断改变的时候，传递旋转运动和旋转扭矩。

汽车传动轴开发设计应满足以下方面的要求：

（1）能够确保稳定地传输动力，在所连接的两根轴相对位置在规定行程内出现变化时。

（2）为了确保前后两个轴连接，并尽可能等速度地运行，设计时应当尽量减小布置夹角。

（3）由于万向节夹角变化而产生的额外的噪声、振动和负载应该在容许的区域之内。

（4）结构设计简单，传动效率高，经久耐用，便于制造，维修维护便利等。

汽车传动轴总成一般由滑动叉、轴管、万向节、中间支撑、连接法兰组成。虎克式（也称为十字轴式）万向节具有耐久性好、结构简单、生产成本低、传动效率高、强度高等优点，当下发动机前置后驱汽车的传动轴大多采用虎克式万向节。虎克式万向节属于不等速万向节，当万向节的主、从动端两者之间存在一定的角度时（如图1所示），由于不等速的特性（主动轴以等角速度转动时，从动轴时快、时慢，此即为十字轴万向节传动的不等速性）。万向节传动输出端的轴线与输入端的轴线的转角差产生的附加弯矩会引起悬架弹性元件和动力总成悬置的振动，还会引发连接到输出轴的齿轮的冲击和噪音以及驾驶舱内的共振噪音。

图1　传动轴布置角度图

柔性万向节可以吸收传动系统的大部分扭转振动，降低扭转振动传递到后桥主减速器，提高后桥主减速器的寿命，提高车辆的行驶平顺性和NVH性能。图2为联轴器的结构，联轴器属于柔性万向节。

图2　联轴器结构图

在汽车行进过程中，传动轴总成主要被用于变速器与后驱动桥间传递旋转运动和旋转扭矩。

本文所述的联轴器安装于传动轴上，作为变速器与传动轴的第一万向节连接，如图3所示。

图3　联轴器安装位置图

2 优化前后对比测试

某后驱车进行下线动态评价时，发现在2档、3档、4档的急加速（2000 rpm～3500 rpm）和高速行驶（3000 rpm～3500 rpm）时车内空间有明显可感知到的振动、轰鸣噪声，乘坐舒适度受到严重影响。

通过进一步的主观评价发现：在车内前部、后部的轰鸣噪声、振动感较突出，且与变速器当下挡位、发动机的瞬时转速无关，只与车速存在关联性。初步分析这个问题，是由传动系统引起。一般情况下，传动系统出现的噪声振动来源，主要来自变速箱、传动轴和后桥主减速器。

此车动力传动整体布置结构为前置后驱车型，传动系统结构为后非独立悬挂＋3非等速万向节传动轴。传动轴的布置结构如图4所示[3]。

图4　两段式传动轴的布置

传动轴作为整车传动系统的重要构成部分，对整车NVH指标有着重要的影响，故对原车传动轴与改进后的传动轴样件进行客观数据采集分析。在良好平直的道路上采用西门子LMS设备进行NVH测试，在后桥主减速器外壳体、驾驶座椅导轨上分别布置振动加速度传感器，同时分别在前排、后排座椅上布置麦克风，挂3挡进行WOT测试。

2.1　测试分析

测试完成后，对测试数据进行整理汇总，通过对比测试数据进行分析，发现采用联轴器后，前排噪音峰值消除，2550 rpm～3530 rpm转速段总声压级平均约降2 dB(A)，2阶约降6 dB(A)；后排噪音峰值消除，2550 rpm～3530 rpm转速段总声压级平均约降5 dB(A)，2阶约降10 dB(A)（如图5）；原车后桥主减速器振动在2580 rpm附近有振动峰值，该转速段车内前排及后排噪音也有与之对应噪音峰值，变速器与传动轴连接处增加联轴器方案后，该转速下主减及座椅导轨振动峰值消除（如图6）。

通过以上测测试数据对比分析可以看到，采用联轴器传动轴方案相比原车3个十字轴万向节传动轴对整车振动噪声均有明显的改善，在一定的转速区间，振动加速度改善幅度甚至超过了80%，证明联轴器对于优化整车传动系统的扭振问题有相当大的效果。

3　结论

分析解决汽车的NVH问题，与“源-传递路径（系统）-接受方”模型是分不开的。噪声与振动是在源头处生成，通过一系列的传递路径传递到接受方处被感受到。因此，为了达到分析与解决噪声与振动问题的目的，可以从这三个方面来作详细分析考量。第一是要减弱发生源头处的噪声与振动，第二方面是在源头处与接受方中间处将噪声与振动的传递路径截断或者使其减弱，对接受方进行额外的防护是最后的措施。

该车型通过变速器端改用联轴器柔性万向节连接的方法，在解决车辆加速时振动、轰鸣问题效果显著。针对车辆加速时振动噪声问题进行分析，柔性万向节可以吸收传动系统的相当部分扭转振动，降低扭转振动传递到后桥主减速器与车内空间，提高车辆的行驶平顺性和NVH性能，大大改善了车辆加速时传动系统振动噪声明显的问题。

该问题的分析及解决方案可提高客户的满意度，并为后续车辆传动系统的开发应用提供经验与借鉴。

[1] 谭祥军. 从这里学NVH: 噪声、振动、模态分析的入门与进阶[M]. 北京: 机械工业出版社，2018.

[2] 王望予. 汽车设计(第4版)[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.

[3] 王霄锋. 汽车底盘设计(第2版)[M]. 北京: 清华大学出版社，2018.

Optimization Analysis of Torsional Vibration Problem of Automobile Transmission System

When the vehicle transmission system works, it will produce very obvious vibration and noise. During the forward driving of the vehicle, the vehicle transmission shaft will rotate at high speed. The bending and torsional vibration generated by the torsion of the transmission shaft itself will arouse obvious vibration and noise in the vehicle. When the vibration and noise level in the vehicle reaches a certain level, it will lead to the decline of customer experience and the increase of complaint. Through the optimization of transmission shaft universal joint, this paper improves the torsional vibration of the whole vehicle and improves the dynamic quality of the vehicle.

transmission system; transmission shaft; torsion vibration; universal joint

U463.2

A

1008-1151(2022)05-0065-03

2022-02-28

唐冲（1988－），男，东风柳州汽车有限公司工程师，从事汽车传动系统开发工作。