傳動(dòng)系統(tǒng)零部件對(duì)整車振動(dòng)的影響及改進(jìn)方法

王久奇，李延立，張 琪 Wang Jiuqi，Li Yanli，Zhang Qi

傳動(dòng)系統(tǒng)零部件對(duì)整車振動(dòng)的影響及改進(jìn)方法

王久奇，李延立，張 琪
Wang Jiuqi，Li Yanli，Zhang Qi

（北汽集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300）

針對(duì)某型越野車，闡述了車輛傳動(dòng)系統(tǒng)零部件對(duì)整車振動(dòng)的影響及改進(jìn)方法。通過提升車橋及傳動(dòng)軸等零部件質(zhì)量并改進(jìn)裝配工藝，如提升旋轉(zhuǎn)零部件的靜平衡和動(dòng)平衡，提高總成零部件下級(jí)件的精度，減小總成零部件中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的下級(jí)件之間的配合間隙與摩擦，改進(jìn)零部件總成裝配等，提升了該越野車的行駛平順性和乘坐舒適性。

車橋；傳動(dòng)軸；整車振動(dòng)；動(dòng)平衡

0 引 言

隨著消費(fèi)者差異化需求以及消費(fèi)能力的提升，硬派越野車用戶希望獲得轎車般舒適的駕駛和乘坐感受。通過提升傳動(dòng)系統(tǒng)零部件制造質(zhì)量并改進(jìn)裝配工藝，降低整車傳動(dòng)系統(tǒng)總體剩余動(dòng)不平衡量，可以提升整車NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能。驅(qū)動(dòng)橋、傳動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)重點(diǎn)改善提升。

1 控制原理

因材料、加工、裝配等環(huán)節(jié)累積的誤差，造成零部件自身相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量分布不均，出現(xiàn)零部件重心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸不重合的問題，導(dǎo)致零部件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因不平衡離心力產(chǎn)生振動(dòng)，長期振動(dòng)會(huì)造成零部件磨損和機(jī)械損傷甚至失效。多數(shù)傳動(dòng)系NVH問題是因?yàn)橄到y(tǒng)整體剩余動(dòng)不平衡量過大導(dǎo)致，一般采取等效面動(dòng)平衡控制方法分析[1]。以某型越野車車橋端等效面總動(dòng)平衡為例進(jìn)行說明。

式中：im為等效面處總動(dòng)平衡；mass為傳動(dòng)軸質(zhì)量；im為車橋法蘭盤徑向跳動(dòng)；im為車橋法蘭盤端面軸向跳動(dòng)；im為車橋和傳動(dòng)軸的軸孔配合公差；s為分動(dòng)器端動(dòng)平衡對(duì)車橋處的交叉影響產(chǎn)生的動(dòng)平衡；z為傳動(dòng)軸總成剩余動(dòng)不平衡量；q為驅(qū)動(dòng)橋總成剩余動(dòng)不平衡量。

車橋與前傳動(dòng)軸裝配總成的動(dòng)平衡受車橋總成剩余動(dòng)不平衡量、傳動(dòng)軸總成剩余動(dòng)不平衡量、車橋法蘭盤端面跳動(dòng)、車橋法蘭盤徑向跳動(dòng)以及傳動(dòng)軸與車橋連接孔配合公差等因素綜合影響，如圖1所示。

圖1 車橋與傳動(dòng)軸裝配誤差示意圖

圖2 等效面動(dòng)平衡矢量合成示意圖

通過圖2可知，隨機(jī)分布在0～360°之間的各影響因素矢量值，綜合決定等效面動(dòng)平衡位置及大小。

只有等效面的動(dòng)平衡值最小，整車傳動(dòng)系統(tǒng)剩余動(dòng)不平衡量才能最小。根據(jù)力合成和矢量原理，需要將車橋和傳動(dòng)軸零部件的剩余動(dòng)不平衡量車橋主減速器法蘭盤的端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)參數(shù)控制在合理的范圍，同時(shí)通過精確標(biāo)注零部件輕、重點(diǎn)標(biāo)識(shí)，盡量減小驅(qū)動(dòng)橋和傳動(dòng)軸的配合公差，降低零部件間交叉影響，使傳動(dòng)系統(tǒng)的剩余動(dòng)不平衡量趨近于0。為降低傳動(dòng)系統(tǒng)整體的剩余動(dòng)不平衡量，可在傳動(dòng)軸和車橋等零部件裝配成總成后，再采用動(dòng)平衡機(jī)去重進(jìn)行整體動(dòng)平衡量補(bǔ)償，但后期對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)單個(gè)零部件進(jìn)行更換維修性較差。

2 問題描述

某型越野車路試檢查環(huán)節(jié)出現(xiàn)部分車輛高速（大于100 km/h）行駛時(shí)存在整車共振轟鳴問題。一些車輛共振現(xiàn)象比較輕微，在主駕駛位置，可持續(xù)聽到嗡嗡聲，并伴隨耳膜壓迫的不適感；還有個(gè)別車輛共振現(xiàn)象非常明顯，除嗡嗡聲外，駕駛員及乘客可明顯感覺到地板及座椅部位的抖動(dòng)。

3 原因分析

某型越野車為適時(shí)電動(dòng)四驅(qū)車型，正常高速行駛時(shí)為后輪驅(qū)動(dòng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。大部分故障車輛在斷開前橋與前傳動(dòng)軸后故障消失，因此對(duì)故障車輛前橋端跳、徑跳以及傳動(dòng)軸剩余動(dòng)不平衡量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。通過調(diào)整傳動(dòng)軸與前橋裝配角度可消除共振，因此判斷裝配精度偏差導(dǎo)致了整體傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)件的剩余動(dòng)不平衡量較大，在車輛高速行駛時(shí)，前橋與前傳動(dòng)軸作為激振源，其共振頻率接近整車的固有頻率，產(chǎn)生共振。

圖3 某型越野車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

個(gè)別車輛在采取上述措施后整車共振無明顯改善，但更換前橋或傳動(dòng)軸后共振消除；因此判斷除了控制車橋端跳、徑跳參數(shù)和傳動(dòng)軸剩余動(dòng)不平衡量外，零部件下級(jí)件的精度以及零部件裝配一致性也需要做相應(yīng)的提升。

4 改進(jìn)方法

4.1 車橋?qū)φ囌駝?dòng)的影響及改進(jìn)方法

零部件制造方面，車橋振動(dòng)噪聲主要來源于齒輪振動(dòng)噪聲和軸承振動(dòng)噪聲。通過提升車橋下級(jí)零部件精度，加強(qiáng)其控制要求，能有效提升整車NVH性能。通過試驗(yàn)分析，針對(duì)該型越野車的車橋振動(dòng)問題，對(duì)前橋下級(jí)件給出改進(jìn)措施,具體見表1。

表1 車橋下級(jí)件改進(jìn)措施

車橋裝配方面，車橋主減速器法蘭盤端跳和徑跳是體現(xiàn)車橋整體配合精度的重要參數(shù)，通過測(cè)量法蘭盤端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)數(shù)值，矢量計(jì)算后確定主減速器法蘭盤綜合跳動(dòng)量重點(diǎn)位置。主減速器法蘭盤重點(diǎn)位置標(biāo)記的準(zhǔn)確性，對(duì)后期車橋裝配到整車與傳動(dòng)軸匹配尤為重要。前橋供應(yīng)商實(shí)際采用將法蘭盤端面跳動(dòng)高點(diǎn)近似作為綜合跳動(dòng)重點(diǎn)，未經(jīng)過矢量計(jì)算，精度誤差較大。通過采用綜合跳動(dòng)工裝模擬傳動(dòng)軸裝配到驅(qū)動(dòng)橋上，如圖4所示，用千分表直接檢測(cè)確定法蘭盤重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)標(biāo)識(shí)的精確標(biāo)記，提升了后期整車裝配的準(zhǔn)確性。

圖4 主減綜合跳動(dòng)檢測(cè)工裝示意圖

經(jīng)過上述措施，前橋質(zhì)量水平得到了提升，經(jīng)檢測(cè)，前橋端跳、徑跳合格率以及平均值均較改善之前明顯提升，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 前橋改進(jìn)前、后數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 傳動(dòng)軸對(duì)整車振動(dòng)的影響及改進(jìn)方法

傳動(dòng)軸是傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件，主要作用是傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)軸工作轉(zhuǎn)速高，其自身結(jié)構(gòu)、裝配誤差以及總成剩余動(dòng)不平衡量，均對(duì)整車振動(dòng)造成影響，與車輛行駛平順性和乘坐舒適性密切相關(guān)。

車輛行駛中，當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與傳動(dòng)軸固有頻率相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生車輛共振，為避開此問題，通常設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸固有頻率比傳動(dòng)軸最高工作轉(zhuǎn)速頻率高出15%[2]。通過傳動(dòng)軸工作頻率推導(dǎo)出車速為

式中：a為車速；j為傳動(dòng)軸的最大工作頻率；g為變速器的傳動(dòng)比；0為主減速比；j為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主諧量的階數(shù)；為車輪的滾動(dòng)半徑。

該型越野車最高車速為160 km/h，變速器傳動(dòng)比（6擋）為0.586，主減速比為4.1，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主諧量階數(shù)為2，輪胎滾動(dòng)半徑為0.388 m。

通過式（2）推導(dǎo)出某型越野車傳動(dòng)軸的最大工作頻率為88 Hz，該車型傳動(dòng)軸的1階固有頻率應(yīng)大于101.2 Hz（88 Hz×（1+15%）=101.2 Hz）。經(jīng)產(chǎn)品工程師確認(rèn)該車型傳動(dòng)軸的固有頻率為116.7 Hz，高于101.2 Hz，避開了共振頻率。

零部件制造方面，傳動(dòng)軸總成動(dòng)不平衡的原因主要有：傳動(dòng)軸相對(duì)自身對(duì)稱中心質(zhì)量分布不均，傳動(dòng)軸質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，傳動(dòng)軸下級(jí)零部件之間裝配間隙控制不當(dāng)。綜合以上因素，傳動(dòng)軸供應(yīng)商采用小模數(shù)多齒尼龍涂覆工藝，如圖5所示，以提高其耐磨性和穩(wěn)定性，提升配合精度，降低傳動(dòng)軸初始剩余動(dòng)不平衡量。

圖5 花鍵尼龍涂覆示意圖

傳動(dòng)軸裝配方面，供應(yīng)商將傳動(dòng)軸軸管焊接從二保焊接改為摩擦焊接，如圖6所示。摩擦焊接溫度低，高溫持續(xù)時(shí)間僅為2.5 s，熱變形和熱影響區(qū)范圍小，減小了傳動(dòng)軸軸管焊接部位變形，傳動(dòng)軸總成質(zhì)量對(duì)稱性、均勻性有效提升，降低了傳動(dòng)軸初始剩余動(dòng)不平衡量。

圖6 摩擦焊設(shè)備示意圖

經(jīng)過上述措施，傳動(dòng)軸質(zhì)量水平得到了提升，焊接叉端和花鍵副端剩余動(dòng)不平衡量初校值水平高于標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表3。

3 結(jié) 論

針對(duì)越野車道路使用特點(diǎn)，建立了適用于越野車車架耐久性能的28種極限及典型工況，通過對(duì)車架進(jìn)行剛度及強(qiáng)度有限元分析，預(yù)測(cè)車架的危險(xiǎn)薄弱位置，為設(shè)計(jì)部門提供優(yōu)化改進(jìn)方案，提升研發(fā)設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提升了產(chǎn)品的可靠耐久性能。

[1]美國汽車工程師學(xué)會(huì)鋼鐵技術(shù)委員會(huì)第四組疲勞設(shè)計(jì)分委員會(huì).零件疲勞設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 孟少農(nóng)，譯. 北京：人民交通出版社，1984.

[2]王霄峰.汽車可靠性工程基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]張繼君.基于MSC.NASTRAN的汽車車架結(jié)構(gòu)的仿真研究[D].長春：吉林大學(xué)，2003.

[4]吳仲華. 慣性釋放原理在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2016（6）：1-3.

2020-07-31

U463.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.04.009

1002-4581（2020）04-0035-04