傳動系扭振引起的MPV車內轟鳴聲控制方法

倪小波，吉麗超，李戍斌，李雪平，李宏庚

（1.上汽通用五菱汽車有限公司，柳州 545000；2.西門子工業軟件（北京）有限公司，北京 100102）

0 引言

MPV(Multi-Purpose Vehicles)因其同時具有轎車的舒適性又有客車的寬敞性，排量小、成本低、功能多、適用于家庭用戶等優點，被廣大消費者尤其是中國消費者所認可接受[1,2]。自2013年以來，我國汽車市場MPV需求量急劇上漲的同時，消費者在低噪聲與高舒適性方面也對MPV提出了更高的要求，而MPV較之于轎車，體積、重量都相對較大，所以MPV的車內噪聲控制一直是各學者研究的熱點，也是企業需要解決的核心技術難題之一。車內噪聲品質直接影響著乘員乘坐汽車時的噪聲舒適性，同時也反映了汽車產品的檔次高低，其不僅是顧客評價和購買汽車時必須要考慮的一個非常重要的因素，同時也是汽車企業競爭力的體現。

國產MPV的動力傳動系布置形式大多采用前置后驅，主要由發動機、離合器、變速器、傳動軸、后橋、半軸及車輪等組成，這些部件共同組成了一個扭轉振動系統，整個傳動系可以看作是一個多質量的彈性系統，具有多個固有頻率。車輛行駛過程中，因受發動機輸出扭矩波動、傳動部件運動的沖擊、行駛阻力等的作用，動力傳動系會產生扭轉振動響應，當外界激勵頻率與固有頻率吻合時，甚至還會激發傳動系的扭轉共振，強烈的扭轉振動會通過車架傳遞或者直接作用到車身，激發車內振動與噪聲[3]，導致較劣的車內聲振舒適性。

目前國內外在傳動系扭振問題上已經有較多的研究，康強[4,5]等為解決車內轟鳴聲問題，建立了該車傳動系統扭振當量模型，通過傳動系統扭振模態計算得到其模態信息，使用發動機激勵力驅動當量模型進行扭振強迫響應分析與扭振測試，驗證了理論模型的有效性，明確了該車轟鳴聲主要貢獻是傳動系統扭振；鄧江華[6]等針對某前置后驅柴油機汽車在全油門加速（WOT）工況下，多個轉速下存在噪聲峰值的問題，研究了動力傳動系統的彎振和扭振特性，主要通過降低激振源和調整固有頻率的方法來解決由動力傳動系統彎扭振動特性引發的車內噪聲問題；Liu[7]等針對汽車加速過程中出現的噪聲問題，設計了離合器3自由度扭振模型，研究了多級離合器阻尼器和齒輪側隙的非線性特性，基于分析結果提出了一種離合器動力學的優化方法，并進行了仿真和實驗驗證；吳昱東等[8]建立了某型國產前置后驅新型微型客車傳動系扭振分析模型，得到傳動系扭振特性，通過測試結果驗證模型的正確性，分析了關鍵部件扭轉剛度對傳動系扭振模態的靈敏度，并提出了通過適當降低驅動半軸扭轉剛度實現降低微車傳動系扭振的方法。

本文為解決國產某型MPV設計研發過程中三檔全油門加速（WOT）工況下存在的車內轟鳴聲問題，首先通過主觀判斷和客觀測試確定轟鳴聲來源為傳動系扭振，然后應用AMESim建立傳動系1D仿真模型，利用飛輪端角加速度（實測數據）與飛輪及曲軸慣量乘積作為系統輸入，驅動模型進行強迫響應分析，關鍵點扭振仿真結果與試驗結果進行對比從而驗證模型有效性，在對標結果良好的模型基礎上，通過仿真分析和測試試驗，驗證所提方案能夠有效較低MPV車內轟鳴聲。

1 問題描述及原因

該型MPV動力傳動系統采用前置后驅形式，發動機為1.5L自然吸氣汽油發動機，5擋手動變速器。在三檔WOT工況時，車內乘員位置在多個轉速下均存在轟鳴聲，主觀感覺存在較為明顯的壓耳感，有從前排到后排逐漸升高的趨勢。采用LMS Test.Lab軟件對車內噪聲數據進行采集，通過客觀測試得到不同乘員位置在該工況下的噪聲聲壓級曲線（總聲壓級及2階、4階和6階噪聲），如圖1所示。

圖1 三檔WOT工況時噪聲

三檔WOT工況時，在低轉速段內（1000～3000rpm）范圍內該車存在3個主要轟鳴點，分別在轉速1000rpm、1650rpm和2350rpm附近。在1000rpm附近，三排座椅位置噪聲均以發動機2階激勵為主要貢獻；在1650rpm附近，中排與后排噪聲以發動機2階激勵為主要貢獻，前排在發動機2階和4階激勵下噪聲均較高；在2350rpm附近，中排噪聲較為突出，中排及后排在該轟鳴點以發動機2階激勵為主要貢獻。

根據經驗，傳動系扭轉振動對后驅車輛車內振動噪聲存在較大影響，初步懷疑車內轟鳴聲的主要貢獻可能是傳動系扭振，所以對樣車進行傳動系扭振測試。圖2為加速工況下傳動系扭振測試結果，可以看出：1）噪聲峰值處對應的轉速下，后橋輸入軸振動同樣表現為峰值特性，轟鳴問題與后橋振動強相關，說明傳動系對其有貢獻；2）后橋輸入軸扭角量級在轟鳴處均高于0.2°，存在由于扭振激勵引起車內轟鳴的可能。所以綜上可基本推斷車內轟鳴聲的主要貢獻是傳動系扭振。

圖2 三檔WOT工況下傳動系扭振測試結果

2 傳動系扭振特性分析

通過整車振動和噪聲測試及傳動系扭振測試，確定對象車型三檔WOT工況下的轟鳴聲問題主要由傳動系扭振引致，為有效分析傳動系的扭振特性，同時為改進措施提供依據，需要利用AMESim軟件對傳動系進行仿真分析，通過強迫響應分析驗證仿真模型的有效性。

2.1 傳動系扭振模型建立

通過系統強迫響應分析可以計算得到傳動系在發動機扭矩波動激勵作用下的響應情況，并對傳動系的整改及分析提供理論依據。考慮到阻尼結構的存在對于系統的響應幅值有較大影響，因此，在進行強迫響應分析時，須充分考慮各部件阻尼特性對計算結果的影響，如式(1)為考慮阻尼影響的強迫振動力學模型。

基于此力學模型，利用AMESim建立完整的傳動系統仿真模型如圖3所示，主要由發動機、變速器、傳動軸、主減速器、差速器等部分組成。

2.2 傳動系扭振模型驗證

為了進行強迫振動計算，就必須獲取系統的激勵扭矩從而驅動模型。車輛在行駛過程中，整個傳動系存在發動機激勵、齒輪間隙的作用、路面激勵等多種激勵，在針對傳動系的扭振分析中，發動機激勵是最主要的形式，因此，本文忽略其他形式的激勵，僅將發動機激勵扭矩作為系統輸入。發動機激勵扭矩可通過式(2)計算得到，將該激勵扭矩輸入到LMS Imagine. Lab環境以激勵仿真模型，并且對比飛輪端及變速箱輸入軸側2階振動。

式中J為飛輪側上游轉動慣量，為飛輪測角加速度的試驗數據。

如圖3所示，飛輪端2階轉速波動的仿真與測試結果重合度較好，后橋主減輸入軸2階轉速的仿真與測試結果雖有差別但變化趨勢一致，特別是在本文所關注的低轉速范圍內重合較好，同時總體誤差也在可接受的范圍之內，從而說明仿真模型對標結果良好，可以用于傳動系扭振問題的研究。

3 降噪方案及驗證

車內轟鳴聲問題常有三類解決措施：1）降低系統激振力的輸入從而控制激勵源；2）在傳遞路徑上進行隔離，削減振動的傳播；3）對車身等共振環節重新進行模態匹配，避開問題轉速。本文中針對在轉速1650rpm和2350rpm附近存在的轟鳴聲問題，采用減少激振力輸入的方式，在轉動軸末端加裝扭轉減振器，以控制傳動系扭振并降低車內噪聲。

3.1 扭轉減振器

圖3 三檔WOT工況下仿真與測試結果對比

圖4 加入TVD后的傳動系扭振仿真模型

扭轉減振器（TVD）一方面可以通過減振器的阻尼來吸收系統的扭振能量，從而降低激振力，另一方面通過減振器的彈性元件及其所帶動的慣量來改變系統的臨界轉速。經多次優化，選定頻率71.5Hz進行減振器匹配設計，優化后計算得到TVD慣量JTVD=0.0168kg.m2，扭轉剛度KTVD=3389Nm/rad。如圖4所示，在仿真模型中增加一個分支，用來計算傳動軸末端安裝扭轉減振器（TVD）后系統的扭振響應。

同樣使用飛輪端角加速度（實測數據）與飛輪及曲軸慣量乘積作為系統輸入，仿真結果如圖5(a)所示，后橋主減輸入軸的2階轉速波動存在明顯的改善，同時對比圖5(b)中的測試結果，兩者取得一致的優化趨勢，即對轉速1500～3000rpm范圍內存在較為明顯地改善，進一步驗證了模型的有效性。

圖5 加裝TVD前后的仿真和測試結果對比

3.2 降噪效果驗證

在臺架上調試扭轉減振器（TVD）完成之后，將其安裝至試驗車輛傳動軸末端，如圖6所示，測試三檔WOT工況下后橋輸入軸振動和車內噪聲情況。

安裝71.5HzTVD后與原始狀態（Baseline）相比，如圖7所示，后橋輸入軸Z向振動衰減較明顯，在原始狀態1748rmp轉速下對應的峰值處，降低了多達16.7m/s2。

圖6 傳動軸末端加裝TVD

圖7 加裝TVD前后測試結果對比

對安裝扭轉減振器后的車內不同測點噪聲分別進行測試，并對比2階噪聲測試結果與原始狀態（Baseline），如圖8所示，前排2000～3000rpm轉速范圍內2階轟鳴下降，在2306rpm和2808rmp對應的峰值處噪聲分別下降了9.2dB（A）和8.1dB（A）；中排、后排1500～3200rpm轉速范圍內2階轟鳴下降，其中中排右側座椅處在1786rpm和3062rmp對應的峰值處噪聲分別下降了6.8dB（A）和12.8dB（A），中排左側座椅處在1798rpm和3035rpm對應的峰值處噪聲分別下降了8.8dB（A）和9.4dB（A），后排右側座椅處在1804rpm和3094rpm對應的峰值處噪聲分別下降了4.3dB（A）和7.4dB（A）。問題轉速處的轟鳴聲在主觀感覺上也改善明顯。

4 結論

1）通過主觀評價和客觀測試確定了對象車型在三檔WOT工況下車內轟鳴聲主要是由傳動系扭振引起；

圖8 加裝TVD前后三檔WOT工況下2階噪聲測試結果對比

2）建立了傳動系的AMESim 1D仿真模型，利用飛輪端角加速度（實測數據）與飛輪及曲軸慣量乘積作為系統輸入，驅動模型進行強迫響應分析，通過關鍵點扭振仿真結果與試驗結果對比從而驗證模型有效性；

3）提出了在傳動軸末端加裝TVD而降低傳動系扭振的方法，加裝TVD后后橋輸入軸扭振試驗結果與仿真結果反映的趨勢一致，再次說明仿真模型的有效性。對樣車再次進行噪聲測試，發現加裝TVD對車內三排測點的噪聲均存在明顯改進，峰值處降低最多可達12.8dB（A）。

[1]徐洪飛.中國微車市場現狀及發展方向[J].商用汽車,2014,(6):10-13.

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[3]Sung-Hwan Shin,Jeong-Guon Ih,Takeo Hashimoto. Sound quality evaluation of the booming sensation for passenger cars[J].Applied Acoustics,2009,70(2):309-320.

[4]康強,吳昱東,鄧江華,何森東.某前置后驅乘用車傳動系扭振模態理論計算及試驗測試[J].汽車技術,2015,(1):40-43.

[5]康強,吳昱東,鄧江華,何森東.扭轉減振器應用于前置后驅汽車傳動系統扭振研究[J].制造業自動化,2014,(23):92-94.

[6]鄧江華,李燦,崔華閣.動力傳動系統振動特性對車內噪聲影響分析[J].汽車技術,2015(11):30-33.

[7]Liu X,Shangguan W,Jing X, et al.Vibration isolation analysis of clutches based on trouble shooting of vehicle accelerating noise[J].Journal of Sound and Vibration,2016,382:84-99.

[8]吳昱東,李人憲,丁渭平,等.基于半軸扭轉剛度調校的新型微客轟鳴聲治理[J].噪聲與振動控制,2016,36(1):70-74.