影響汽車傳動軸動平衡精度的因素及控制方法*

許超楠

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車技術(shù)研究中心）

大多數(shù)情況下，汽車底盤的噪聲和振動源于傳動軸旋轉(zhuǎn)時的不平衡跳動，而動平衡精度是衡量傳動軸不平衡跳動的關(guān)鍵性指標(biāo)，所以傳動軸動平衡精度的高低對于減少汽車底盤的噪聲和振動起著至關(guān)重要的作用[1]?，F(xiàn)階段汽車傳動軸動平衡精度一般控制在G40等級，有些高檔車應(yīng)用的傳動軸動平衡精度會達(dá)到G16等級或者更高。由于傳動軸的動平衡精度無法直觀地用設(shè)備或者儀器進(jìn)行測試和讀取，為了方便衡量傳動軸動平衡精度等級的高低，常將傳動軸的動平衡精度等級轉(zhuǎn)化為傳動軸的剩余許用不平衡量。這樣既可以直觀地了解傳動軸的動平衡精度水平，又可以實(shí)現(xiàn)用儀器設(shè)備進(jìn)行測試校準(zhǔn)。文章主要從傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計來分析動平衡的影響因素及控制方法，對于校準(zhǔn)動平衡的儀器設(shè)備影響因素不再做相關(guān)闡述。

1 動平衡精度的影響因素

1.1 質(zhì)量

由于傳動軸可以看作是一個轉(zhuǎn)子，所以在旋轉(zhuǎn)過程中由不平衡造成的振動最終可以用受力來解釋，轉(zhuǎn)子受力分析圖，如圖1所示[2]。圖1中，r為質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)心的距離；F為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力；m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。

絕對均勻的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時徑向是不受力的，而當(dāng)轉(zhuǎn)子在某個部位出現(xiàn)一個不平衡的質(zhì)量，將會在該質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)心連線的徑向方向產(chǎn)生一個不平衡的離心力，離心力的表達(dá)式為：F=mω2r。其中mr定義為許用不平衡量，其表達(dá)式為：

式中：Uper——許用不平衡量，kg·mm；

G——傳動軸的動平衡精度等級，g·mm/kg；

M——轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，kg。

從上式可以看出，傳動軸作為轉(zhuǎn)子，它的質(zhì)量越大，Uper越大。因此在設(shè)計方案時，要充分考慮傳動軸質(zhì)量對動平衡的影響。目前汽車傳動軸的常用設(shè)計質(zhì)量在8～20kg，對應(yīng)的剩余許用不平衡量范圍在 8～18g·cm。

1.2 結(jié)構(gòu)

傳動軸的結(jié)構(gòu)按長短組合特點(diǎn)可分為2種，如圖2所示。由于多段式的結(jié)構(gòu)較單段式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回轉(zhuǎn)均勻性較差，因此多段式結(jié)構(gòu)的傳動軸動平衡精度不如單段式好。但是單段式的傳動軸軸管長度較長，對應(yīng)的1階臨界轉(zhuǎn)速較低[3]，為了避免傳動軸在汽車行駛過程中發(fā)生1階共振，又需要設(shè)計為多段式結(jié)構(gòu)，具體取舍關(guān)系需要根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選取。

節(jié)型結(jié)構(gòu)對傳動軸動平衡精度的影響也不容忽視。目前傳動軸常用節(jié)型分為2種，如圖3所示。由于等速節(jié)為均勻回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，所以與十字節(jié)相比采用等速節(jié)形式的傳動軸動平衡精度會有明顯的提升。

1.3 裝配

傳動軸本身是由各個零部件裝配而成的總成零件，如圖4所示，每個零件都可看成是一個單獨(dú)的回轉(zhuǎn)體，而實(shí)際上由于無法避免加工制造誤差，這些零件都會存在一定的不平衡量。為了最大限度地降低傳動軸總成的剩余不平衡量，可以采用輕點(diǎn)配重點(diǎn)的組裝方式，這樣就可以最大限度地抵消單個零件的不平衡量，從而獲得最優(yōu)的傳動軸總成的動平衡精度[4]。

2 動平衡控制及優(yōu)化

為了直觀地理解質(zhì)量、節(jié)型及裝配對傳動軸動平衡的影響，特選取某SUV車型作為試驗(yàn)車，通過在副駕駛位置用分貝測試儀記錄不同車速下的分貝值來進(jìn)行對比。

優(yōu)化后的傳動軸總成質(zhì)量（12.158 9 kg）較原狀態(tài)（15.412 5 kg）約減輕3.3 kg，經(jīng)分貝測試儀測試，轉(zhuǎn)速在4 000 r/min左右，峰值噪聲下降約12 dB（A），整體噪聲曲線波動趨勢基本不變，如圖5所示。

經(jīng)測試，轉(zhuǎn)速在3 000 r/min左右，等速節(jié)傳動軸總成較十字節(jié)傳動軸總成峰值噪聲下降約10 dB（A），整體噪聲曲線波動趨勢基本不變，如圖6所示。

經(jīng)測試，安裝方式優(yōu)化后相比優(yōu)化前，峰值噪聲降低約12 dB（A），但是優(yōu)化后與優(yōu)化前在中低速段存在多處重合位置，整體降噪水平相比質(zhì)量和節(jié)型改善不是很明顯，如圖7所示。

經(jīng)測試，轉(zhuǎn)速在3 500 r/min左右，優(yōu)化后的傳動軸總成較優(yōu)化前峰值噪聲下降約26 dB（A），優(yōu)化后的整體噪聲曲線波動趨勢較優(yōu)化前波動緩和平穩(wěn)，在2500～5000r/min對噪聲的抑制最為明顯，如圖8所示。

3 結(jié)論

結(jié)合理論分析和實(shí)際測試結(jié)果可以得出，汽車傳動軸動平衡精度對于駕駛室內(nèi)噪聲的影響有重要的作用。由于噪聲產(chǎn)生的因素有很多，提升傳動軸動平衡精度只是其中一個解決方案，并不是降低傳動系統(tǒng)1階能量的唯一方法。傳動軸動平衡對于汽車底盤振動的影響已經(jīng)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)得到確認(rèn)，但對于車內(nèi)噪聲的抑制還處于研究探索階段，文章闡述了影響傳動軸動平衡精度的因素及實(shí)際應(yīng)用的控制方法，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)清楚地表明了傳動軸動平衡優(yōu)化前后對于車內(nèi)噪聲的影響，為解決部分汽車駕駛室內(nèi)噪聲過大的問題提供了參考和借鑒。