某SUV扶手箱振动异响问题分析与控制

针对某款SUV在高转速时出现的扶手箱振动异响问题，利用小波分析数据得出传动轴旋转振动引起中间支撑模态与动力总成刚体模态耦合导致共振而产生噪声。根据振动隔离理论提出增加中间支撑径向刚度提升中间支撑模态避开共振的方案，经过验证后，解决了问题。

关键词：传动轴 中间支撑，小波分析

随着人们对整车舒适性要求的提高,振动与噪声与舒适性要求成为汽车设计最重要的指标之一。因此，振动和噪声控制作为汽车设计制造的一个重要方面，受到了各主机厂的重视。汽车传动系统在工作时会产生非常明显的振动和噪声，在车辆行驶过程中，传动轴高速旋转，由传动轴本身弯曲和扭转振动会激起车内明显的振动和噪声不容易被乘员识别，导致客户及售后部门的严重抱怨。

本文针对某前置后驱SUV在开发过程中，由于传动系统抖动导致扶手箱振动异响问题，采用频谱分析，来确定振动及异响的原因。最后通过移频的方法，使得传动轴中间支撑的固有频率避开动力总成刚体模态，从而解决了异响问题，此方法可以为汽车工程技术人员NVH开发提供借鉴。

1 传动轴的工作原理

汽车传动轴总成一般由万向节、传动轴和中间支撑组成。对于长轴距汽车，常常将传动轴分段（两段或三段），目的在于缩短每一段的长度，提高刚度，从而提高传动轴的临界转速。前后两段传动轴中间需要加中间支撑以减小传动轴角度方向和轴向的安装误差以及发动机、悬架等弹性悬置、行驶中所引起的角位移和线位移。

一般在车架横梁或车身上固定中间支撑，以减少传动轴角度方向和轴向的安装误差以及发动机、悬架等弹性元件、行驶中所引起的角位移和线位移。目前大多数中间支撑采用埋在橡胶弹性元件中的单列求轴承，如图1所示。该支撑主要用于承受传动轴不平衡、偏心等因素引起的径向力，而不能传递轴向力，可承受万向节上的附加弯矩引起的径向力。

图1 传动轴中间支撑结构图

传动轴总成其主要用于在车辆行驶过程中，相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。

汽车传动轴设计应满足如下基本要求：

 （1）保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。

 （2）保证所连接两轴尽可能等速运转。

 （3）由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。

 （4）传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

2 故障问题描述及分析

发动机的激励、传动系统的扭矩波动、传动轴及后桥主减本身的动不平衡、万向节产生的附加弯矩、中间支撑刚度过软或者过硬等因素均能引起传动系统的振动异响，影响车内乘员的舒适性，降低顾客的感知度。

某前置后驱SUV进行路试评价时，发现在2、3、4档的高转速的时候（3800转）扶手箱处的振动比较大，同时伴有框框的异响，严重影响了乘坐舒适性。

该车涉及到传动系统配置为后独立悬挂加三个等速节。传动轴的布置如图2所示：

图2 三段式传动轴的布置

2.1 主观评价及测试分析

通过主观评价发现：在车辆中部此噪声较明显，且与发动机转速、变速器挡位无关，仅与车速相关。初步判断此噪声由传动系统引起。通常情况下，传动系统的声源主要来自变速器、传动轴和后桥主减。

在良好平直的道路上进行NVH测试，在驾驶员右耳处布置麦克风，并在扶手箱、传动轴中间支撑处布置测点，挂3挡进行WOT测试。

通过对测试数据进行小波分析，发现车内噪声存在发生在11~14HZ的冲击噪声，相应的扶手箱处有频率相近的振动异响（图3），与传动轴中间支撑的宽频冲击相对应（图4）

图3 传动轴中间支撑处振动彩图

图4 扶手箱处振动彩图

初步判断该问题为传动轴中间支撑模态过低与动力总成刚体模态耦合导致，为了确认此问题，分别进行了传动轴中间支撑模态测试以及动力总成刚体模态测试，结果验证了这一猜测。在整车上进行中间支撑模态测试，测的中间支撑模态为13HZ,不满足NVH子系统目标要求（25~30HZ)。测试结果见图5。

图5 传动轴中间支撑模态测试

在整车上测试动力总成的刚体模态，测的动力总成各阶刚体模态见表1所示，从表中可知绕X轴转动的模态13.25HZ与传动轴中间支撑模态13HZ非常接近，容易模态耦合，此为扶手箱振动异响主要原因。

表1 动力总成刚体模态测试

2.2 问题分析及方案确定

当传动轴中间支撑模态与其他部件模态耦合发生共振时，可以采取的控制策略把两者的模态频率避开，由于动力总成刚体模态频率范围一般要求设计在发动机怠速隔振频率以下，本车怠速转速为750rpm,按隔振要求刚体模态频率要求小于25HZ，从表1可知动力总成刚体模态最高为19HZ,因此要把传动轴中间支撑模态至少提升到20HZ以上才能解决问题。提升模态的方法有两种，一是提升中间支撑橡胶的径向刚度，二是降低中间支撑所支撑传动轴的质量，本文采用提升中间支撑径向刚度的办法来验证此问题。

3.3 方案验证

3.3.1 中间支撑径向刚度增加

分别制作中间支撑刚度为30,35,43N/mm的样件进行验证，三种方案效果都比较明显，扶手箱处的振动异响消失。综合各种工况来看，43N/mm方案效果最好，其次是刚度为30.3N/mm和34.83Hz，但这两种刚度中间支撑在常用工况下峰值较多，且刚度为30.3N/mm模态较低，不满足NVH子系统目标要求。对这三种方案装车进行测试得到中间支撑模态如表2所示。

表2 中间支撑模态

对刚度43方案进行3挡全油门测试，与故障车扶手箱处振动频谱进行对比，可以看出振动消失。

3挡全油门时刚度43N/mm方案与原车传动轴中间支撑振动数据对比

4 结语

在某特定车速下，传动轴旋转频率达到中间支撑固有频率而产生的共振是无法避免的，在设计时要使中间支撑固有频率尽可能避开关键子系统固有模态，避免二者耦合导致车内NVH变差。本文通过调整中间支撑橡胶刚度，避开了与动力总成刚体模态耦合，解决了扶手箱振动异响问题。该问题分析及解决方案可供NVH工程师在解决相关问题提供借鉴。