汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋NVH分析及優(yōu)化

過(guò)亮

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

通常來(lái)說(shuō)，汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲主要來(lái)自于車(chē)身和底盤(pán)兩個(gè)部分。其中，我國(guó)大部分科研人員對(duì)汽車(chē)車(chē)身的NVH研究比較多，因此，我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)對(duì)車(chē)身NVH的衡量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化手段體系都相對(duì)完善。相比之下，對(duì)汽車(chē)底盤(pán)NVH的研究?jī)?nèi)容顯得比較匱乏。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋既是振動(dòng)的來(lái)源之一，又是汽車(chē)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，后橋NVH性能的好壞對(duì)汽車(chē)的使用性能和壽命影響很大。通過(guò)網(wǎng)上查閱國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)后橋NVH的研究成果，我們發(fā)現(xiàn)汽車(chē)后橋噪聲主要產(chǎn)生于后橋主錐齒輪和軸承的振動(dòng)。除此之外，汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)后橋上與汽車(chē)懸架連接，下與汽車(chē)輪胎相連，后橋作為汽車(chē)的中間結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)受到車(chē)身的變形和路況變化的影響。汽車(chē)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)后橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率與車(chē)身的振動(dòng)頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，從而使汽車(chē)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲，這會(huì)給汽車(chē)的使用舒適性和運(yùn)行的平穩(wěn)性帶來(lái)不好的影響。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，加大對(duì)汽車(chē)后橋的NVH研究意義重大。

1 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋噪聲機(jī)理

1.1 齒輪振動(dòng)噪聲機(jī)理

汽車(chē)后橋中振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪振動(dòng)。一般而言，齒輪的動(dòng)態(tài)激勵(lì)包括內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)兩個(gè)方面。其中，齒輪的內(nèi)部激勵(lì)是指由于齒輪之間嚙合而產(chǎn)生的激勵(lì)；齒輪的外部激勵(lì)則是指除齒輪外的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的激勵(lì)，比如由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和軸的不平衡而產(chǎn)生的激勵(lì)。根據(jù)齒輪傳動(dòng)的原理，齒輪在嚙合的法線(xiàn)方向相對(duì)轉(zhuǎn)速為零，在嚙合點(diǎn)的切線(xiàn)方向有相對(duì)滑動(dòng)速度。嚙合點(diǎn)切向的速度在齒輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中總是呈先減小后增大的趨勢(shì)，這也使得摩擦力的方向呈現(xiàn)出周期性變化。

1.2 軸承振動(dòng)噪聲機(jī)理

汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)后橋中共有兩對(duì)圓錐滾子軸承，它們都安裝在變速器中。圓錐滾子軸承的主要特點(diǎn)是在運(yùn)行時(shí)其外圈固定，內(nèi)圈隨汽車(chē)傳動(dòng)軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸承部分的振動(dòng)和噪聲也來(lái)自于內(nèi)部和外部的振動(dòng)激勵(lì)。其中，軸承的外部激勵(lì)主要是因軸的動(dòng)不平衡和齒輪的嚙合不良產(chǎn)生的，內(nèi)部激勵(lì)則是由于軸承自身的裝配不好和磨損產(chǎn)生的。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，雖然軸承外圈固定，但是滾動(dòng)體跟隨軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)體的受力大小和方向都是周期性的，在不同的嚙合點(diǎn)，軸承的承力大小、方向以及參與承力的數(shù)目都不一樣。這些都是導(dǎo)致軸承剛度變化的因素，這些因素的存在是無(wú)法避免的。

1.3 半軸振動(dòng)噪聲機(jī)理

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋中半軸的振動(dòng)和噪聲主要來(lái)自于外部激勵(lì)和少部分的內(nèi)部激勵(lì)。其中，內(nèi)部激勵(lì)是由于軸的靜不平衡產(chǎn)生的。在汽車(chē)后橋半軸前、后端都分布有很多激勵(lì)源，因此，半軸振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生主要來(lái)源于半軸的外部激勵(lì)，這其中就包含發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、傳動(dòng)軸的彎曲激勵(lì)、齒輪激勵(lì)、軸承激勵(lì)等因素。由于半軸布置在驅(qū)動(dòng)后橋的內(nèi)部，因此其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲通過(guò)軸承傳遞出來(lái)以后就顯得比較小。

2 汽車(chē)車(chē)身NVH性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 提高頂蓋模態(tài)頻率

通常，在汽車(chē)生產(chǎn)車(chē)間會(huì)存在底盤(pán)橫梁與頂蓋間隙過(guò)大、黏膠效果不好等現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們進(jìn)行了深入的研究并制定出兩種可以提高頂蓋模態(tài)的方案：①采用彈性模量較高的黏膠。通過(guò)采用這種方案可以使頂蓋模態(tài)達(dá)到33 Hz，但是這種方案存在弊端，即用黏膠固定頂蓋會(huì)造成其容易變形，因此這種方案很少采用。②增加橫梁高度，以提高其剛度。這種方案也可以使頂蓋模態(tài)分析值達(dá)到33 Hz。

2.2 調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)懸置剛度

通過(guò)對(duì)不同試制階段的車(chē)輛進(jìn)行NVH測(cè)試，我們可以發(fā)現(xiàn)試制階段二的NVH比試制階段一要高。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，試制階段的發(fā)動(dòng)機(jī)隔振率達(dá)到90%，即表示發(fā)動(dòng)機(jī)部分90%以上的振動(dòng)都能夠被隔離，符合性能要求。

2.3 車(chē)身地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

消除汽車(chē)車(chē)身地板結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)和噪聲的最好方法是改變地板后部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，使其與傳動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作激勵(lì)頻率錯(cuò)開(kāi)。為了對(duì)地板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要對(duì)地板模態(tài)進(jìn)行靈敏度分析。

基于對(duì)降低成本和簡(jiǎn)化工藝的考慮，可以嘗試增加汽車(chē)后部的地板厚度，并且在汽車(chē)的后部橫梁之間加裝一根與車(chē)架寬度相等的橫梁，橫梁的截面形狀必須與汽車(chē)原有的橫梁形狀一致。這樣不僅可以大大提高汽車(chē)整體強(qiáng)度，還可以減少由于發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸造成的地板振動(dòng)。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)汽車(chē)地板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效地改善汽車(chē)的NVH性能。

2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)I-sight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)結(jié)構(gòu)中最重要最復(fù)雜的部分。為了改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH性能，必須綜合考慮模態(tài)性能、結(jié)構(gòu)剛度、車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞函數(shù)等。從這個(gè)層面上來(lái)講，將多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用到對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能改善的研究中就顯得尤為重要。在這項(xiàng)技術(shù)中，由于優(yōu)化對(duì)象和目標(biāo)明確且單一，因此總會(huì)存在唯一的優(yōu)化解。優(yōu)化過(guò)程中可以把鈑金件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，并以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕量化為目標(biāo)，以汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階彎曲模態(tài)合剛度為約束條件。I-sight多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的操作過(guò)程如下：①在有限元軟件中建立汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有限元模型；②確定實(shí)驗(yàn)初始的設(shè)計(jì)變量，并運(yùn)用PS方法進(jìn)行靈敏度測(cè)試；③采集有效的數(shù)據(jù)信息，并利用最小二乘法構(gòu)建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)面近似模型；④采用連續(xù)二次規(guī)劃方法（SQP）進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化求解，最終使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不增加成本的情況下各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)上述操作就可以實(shí)現(xiàn)改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能的目標(biāo)。

3 結(jié)論

綜上所述，汽車(chē)的NVH特性與車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和汽車(chē)的零部件結(jié)構(gòu)有著極大的聯(lián)系，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該通過(guò)具體地分析振動(dòng)原因提出解決措施。為了提高汽車(chē)的使用性能和滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求，對(duì)汽車(chē)NVH特性的研究要綜合運(yùn)用各領(lǐng)域的先進(jìn)學(xué)科知識(shí)和理念。只有在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上提高自主研發(fā)能力，才能不斷地設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的汽車(chē)。

［1］毛世偉，李光明，陳富強(qiáng).NVH測(cè)試在汽車(chē)后橋異響噪聲源分析中的應(yīng)用［J］.汽車(chē)工程師，2011（11）：40-42.

［2］李玲.某商務(wù)車(chē)M100NVH特性的分析與改進(jìn)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015.

［3］楊明亮.汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)NVH性能分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.