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驅(qū)動(dòng)橋懸置優(yōu)化對(duì)某越野車車內(nèi)噪聲的改善
2021-11-05 08:52:05· 來(lái)源：汽車NVH云講堂
[摘要]：本文針對(duì)某44越野車巡航時(shí)車內(nèi)噪聲大問(wèn)題，分析其主要貢獻(xiàn)為驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開(kāi)發(fā)了
[摘要]：本文針對(duì)某4×4越野車巡航時(shí)車內(nèi)噪聲大問(wèn)題，分析其主要貢獻(xiàn)為驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開(kāi)發(fā)了一套驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，橋懸置改進(jìn)方案有效改善了車內(nèi)噪聲，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一種思路與方法。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋，懸置設(shè)計(jì)，車內(nèi)噪聲；
1、引言
驅(qū)動(dòng)橋是汽車承載與傳遞扭矩的重要部件，同時(shí)也是汽車的主要振動(dòng)噪聲源之一[1]。從傳遞路徑上講，采用懸置彈性結(jié)構(gòu)可以有效隔離振動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)橋與副車架之間增加懸置元件可以衰減車內(nèi)的振動(dòng)噪聲。目前驅(qū)動(dòng)橋NVH性能研究的文章多是對(duì)本體振動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理的研究較多，而較少有驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的研究[1-4]。國(guó)內(nèi)懸置系統(tǒng)的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的布置與匹配、懸置元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真等方面[5-7]。
本文針對(duì)某越野車驅(qū)動(dòng)橋?qū)噧?nèi)噪聲貢獻(xiàn)大的問(wèn)題，通過(guò)借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，建立ADAMS力學(xué)模型，正向開(kāi)發(fā)了一套驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證橋懸置改進(jìn)方案有效改善了車內(nèi)噪聲，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一種思路與方法。
2、車內(nèi)噪聲問(wèn)題分析
2.1 問(wèn)題描述與原因分析
某4×4承載式越野車，市場(chǎng)上客戶對(duì)巡航行駛車內(nèi)噪聲大存在較大抱怨。通過(guò)主觀評(píng)價(jià)初步判定為齒輪噪聲為車內(nèi)噪聲大的主要貢獻(xiàn)，同時(shí)也嚴(yán)重降低了車內(nèi)聲品質(zhì)。從客觀數(shù)據(jù)分析上看，改進(jìn)前在普通B級(jí)鋪裝路面上最高檔50、60km/h定速進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1，可以看出主要噪聲貢獻(xiàn)分別為387Hz和465Hz的激勵(lì)頻率。
傳動(dòng)系統(tǒng)中，軸的轉(zhuǎn)速與車速有傳動(dòng)比的比例關(guān)系，齒輪嚙合頻率與軸的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)有比例關(guān)系。根據(jù)車速計(jì)算齒輪嚙合頻率見(jiàn)式1，計(jì)算橋嚙合頻率見(jiàn)式2。
式中：f-齒輪嚙合頻率；r-齒輪所在軸轉(zhuǎn)速；n-齒輪齒數(shù)；V-車速；R-車輪滾動(dòng)半徑；i-軸到車輪的傳動(dòng)比；h-齒輪嚙合階次；I0-齒輪所在軸相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比。
根據(jù)式1、式2，可得驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合階次與50、60km/h定速驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合激勵(lì)頻率見(jiàn)表1（此越野車前后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)橥吞?hào)）。
3檔全油門加速噪聲數(shù)據(jù)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合階次，見(jiàn)圖3
可得定速噪聲主要貢獻(xiàn)頻率與橋齒輪嚙合激勵(lì)頻率相吻合，驅(qū)動(dòng)橋激勵(lì)對(duì)加速噪聲也有重要貢獻(xiàn)。
2.2 改善預(yù)測(cè)
對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程處理，并進(jìn)行橋激勵(lì)改善后整車噪聲預(yù)測(cè)，以50km/h定速數(shù)據(jù)為例如圖4，削去橋貢獻(xiàn)峰值可降低車內(nèi)噪聲1.7dB（A）；同理，可以預(yù)測(cè)削去橋貢獻(xiàn)峰值60km/h定速預(yù)計(jì)可降低車內(nèi)噪聲1.5dB（A）。
由于該橋已為成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品，從橋本體上進(jìn)行振動(dòng)噪聲優(yōu)化代價(jià)太大，所以考慮從傳遞路徑上優(yōu)化橋懸置系統(tǒng)，提升隔振性能達(dá)到降噪的目的。
3、驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
3.1 原驅(qū)動(dòng)橋懸置方案介紹
此越野車前后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)橥吞?hào)，原驅(qū)動(dòng)橋懸置均采用4個(gè)相同的軟墊布置安裝，方案示意如圖4。
以上方案存在諸多缺點(diǎn)：
1. 解耦性差：采用4 個(gè)相同的軟墊，未根據(jù)系統(tǒng)解耦要求合理匹配各向剛度，易存在運(yùn)動(dòng)耦合；
2. 動(dòng)、靜剛度大：此結(jié)構(gòu)形式橡膠體厚度小，動(dòng)靜剛度大，且難以獨(dú)立設(shè)計(jì)各向剛度；
3. 限位設(shè)計(jì)缺陷：無(wú)合理的線性剛度范圍，限位剛度過(guò)大。
鑒于以上缺點(diǎn)，改進(jìn)需要重新進(jìn)行懸置布置、選型及計(jì)算。
3.2 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)橋懸置布置方案與選型
驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)布置時(shí)考慮以下因素：驅(qū)動(dòng)橋總成的重量、扭矩、可靠性、成本和空間等。該越野車可靠性的要求高，傳動(dòng)軸扭矩大，驅(qū)動(dòng)橋安裝空間受限。綜合考慮以上因素,選用4點(diǎn)式吊掛懸置系統(tǒng)。
懸置形式選用襯套式橡膠懸置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性好。
3.3 靜載荷設(shè)計(jì)
根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋速比、扭矩，確定懸置的布置位置。通過(guò)計(jì)算懸置受力、驅(qū)動(dòng)橋俯仰角和側(cè)傾角，設(shè)計(jì)懸置靜載荷和初始剛度。
3.3.1 有效扭矩軸的確定
受力分析可知，半軸反作用于驅(qū)動(dòng)橋殼體的力矩與車輪前進(jìn)時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相反；傳動(dòng)軸作用于驅(qū)動(dòng)橋殼體的方向與傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)方向一致。如圖5所示，根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋主減速比，可以確定有效扭矩軸方向。
3.3.2 懸置位置的確定
根據(jù)有效扭矩軸，可確定懸置的布置位置。通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋的質(zhì)心，做一條垂直于有效扭矩軸的直線，如圖5所示。圖中的A和B兩點(diǎn)即為理想懸置布置點(diǎn)，由于兩點(diǎn)支承不穩(wěn)定，需要使用3點(diǎn)或者4點(diǎn)懸置系統(tǒng)。
采用4點(diǎn)式懸置系統(tǒng)的布置，調(diào)整懸置的等效彈性中心，見(jiàn)圖5中兩種布置的組合。綜合考慮車輛底盤空間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想布置，最終確定布置位置（以后橋?yàn)槔?，?jiàn)圖6。
3.3.3 懸置初始剛度的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)懸置的初始剛度，可以計(jì)算控制側(cè)傾角、俯仰角，獲取最大扭矩時(shí)懸置在力-位移曲線的工作點(diǎn)，從而校核和優(yōu)化懸置的初始位置。
通過(guò)供應(yīng)商的輸入的懸置型式最大位移量，初步確定懸置初始剛度，本例Z向初始剛度均取700N/mm。
建立ADAMS力學(xué)模型，在低頻范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋主減速器視為剛體，四個(gè)懸置使用4個(gè)力元進(jìn)行模擬，傳動(dòng)軸和半軸的質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)有較大的影響，因此增加建立1個(gè)傳動(dòng)軸和2個(gè)半軸模型，并根據(jù)實(shí)際連接關(guān)系施加萬(wàn)向節(jié)和移動(dòng)副等約束，見(jiàn)圖7。
初步建立懸置靜態(tài)力-位移關(guān)系模型，計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋總成的側(cè)傾角和俯仰角型。在1檔70%WOT負(fù)荷下計(jì)算得驅(qū)動(dòng)橋側(cè)傾角與俯仰角如表2。
控制側(cè)傾角，半軸的夾角更小；控制俯仰角，萬(wàn)向節(jié)夾角更?。欢紩?huì)有更好的NVH性能。根據(jù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)傾角與俯仰角滿足性能要求。
3.3.4 模態(tài)頻率分布設(shè)計(jì)
當(dāng)懸置系統(tǒng)的固有頻率與相鄰部件或子系統(tǒng)的頻率接近時(shí)將惡化車內(nèi)的噪聲與振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率與其他系統(tǒng)的模態(tài)頻率避開(kāi)，各相關(guān)頻率如表3所示。
以驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)頻率與表3頻率分離為目標(biāo)，以懸置剛度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)表4。同時(shí)考慮生產(chǎn)成本和安裝便利因素，盡量使用較少型號(hào)的剛度。
表5為優(yōu)化后各橋懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率與振型，該模態(tài)振型的方向均在整車坐標(biāo)系下描述的方向。
3.3.5 靜剛度曲線設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)懸置的動(dòng)靜剛度曲線，校核各工況下懸置的受力與位移，確保驅(qū)動(dòng)橋總成不與周邊
零部件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。
將上節(jié)的設(shè)計(jì)剛度值作為線性段靜剛度，將其乘以動(dòng)靜比的剛度作為巡航預(yù)載下的動(dòng)剛度。
進(jìn)而確定線性段剛度的長(zhǎng)度，非線性段剛度以及懸置的最大位移量，懸置的最大位移量可通過(guò)設(shè)計(jì)允許的最大側(cè)傾角進(jìn)行初步計(jì)算。與動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)類似，懸置靜剛度曲線的設(shè)計(jì)通則如圖8所示。
計(jì)算各向剛度曲線，型號(hào)1懸置為例，見(jiàn)圖9。
設(shè)計(jì)靜剛度曲線后，還需要對(duì)典型工況和極限工況進(jìn)行校核，以確保懸置在各工況下無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉。在驅(qū)動(dòng)橋總成懸置系統(tǒng)ADAMS模型中，將載荷施加在驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)心處，不同工況下施加的載荷不同。驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)計(jì)算工況見(jiàn)表6，其中G為驅(qū)動(dòng)橋重力，m為驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)量，g為重力加速度。
以后橋?yàn)槔?，校核典型工況與極限工況懸置位移，滿足設(shè)計(jì)限位要求，見(jiàn)附表1。
完成懸置方案設(shè)計(jì)，以后橋懸置為例，示意見(jiàn)圖10。
4、試驗(yàn)驗(yàn)證
驅(qū)動(dòng)橋懸置改進(jìn)前后在普通B級(jí)鋪裝路面上最高檔50、60km/h定速進(jìn)行車內(nèi)噪聲駕駛員右耳測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11?？傻?0km/h定速車內(nèi)噪聲在387Hz降低12dB（A），整車噪聲改善1.9dB（A）；60km/h定速車內(nèi)噪聲在465Hz降低10dB（A），整車噪聲改善1.4dB（A）。
驅(qū)動(dòng)橋懸置改進(jìn)前后3檔全油門加速車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12。
綜上可得，本次橋懸置改進(jìn)有效降低了車內(nèi)噪聲。
5、總結(jié)
本文針對(duì)某越野車巡航時(shí)振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)正向開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案有效降低車內(nèi)噪聲。得出的結(jié)論如下：
（1）驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合引起的振動(dòng)噪聲是巡航時(shí)車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)，可通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋懸置改善車內(nèi)噪聲；
（2）本文提出一種驅(qū)動(dòng)橋懸置設(shè)計(jì)方法，適用于驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)正向開(kāi)發(fā)，為后續(xù)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種思路和參考。論文創(chuàng)新點(diǎn)：借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，建立包含半軸和傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合驅(qū)動(dòng)橋工作特性，提出一種驅(qū)動(dòng)橋懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
作者：徐東陽(yáng)1，夏祖國(guó)2，任立志3，王成云4
作者單位：東風(fēng)特種裝備事業(yè)部（東風(fēng)越野車有限公司）
來(lái)源：2020 年第十七屆汽車NVH 控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集
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