傳動軸中間支承隔振性能研究

戰敏 馮立 陳強 沈飛

摘 要：針對某SUV冷啟動異響問題，對傳動軸中間支承隔振性能進行研究。通過分析中間支承隔振原理，得出異響問題為低溫時支承剛度增大、隔振性能變差導致。文章通過中間支承增加橡膠隔振墊、改變支承橡膠襯套材料兩方面提高支承隔振效果，改善異響問題。驗證結果表明，改變支承橡膠襯套材料改善效果明顯。

關鍵詞：傳動軸中間支承;隔振原理;支承剛度;隔振性能

Abstract： Combined with a SUV cold start problem， the anti-vibration performance of the propshaft intermediate support is studied. By analyzing the vibration isolation principle of the intermediate support， it is concluded that the abnormal sound problem is caused by the increase of the support stiffness and the deterioration of vibration isolation performance at low temperature. In this paper， there are two ways to enhance the supports anti-vibration performance by changing the supports stiffness. One is increasing the rubber vibration isolation pad， the other is changing the rubber lining material of the support. The results show that the latter way has obvious improvement effect.

Keywords： Propshaft intermediate support; Vibration isolation principle; Support stiffness; Anti-vibration perfor mance

前言

傳動軸是汽車動力傳動系統的主要部件之一，它的動力學特性直接關系到汽車性能。傳統乘用車軸距普遍較長，為提高傳動軸臨界轉速，滿足整車NVH性能以及布置要求，常將傳動軸分段，需設置中間支承用于支承與定位。

傳動軸有效隔振方法之一就是合理設計中間支承的剛度，支承剛度若不合理，隔振效果會大打折扣。本文結合某SUV冷啟動異響問題，對傳動軸中間支承隔振性能進行研究。

1 問題描述與分析

1.1 問題描述

某SUV在低于-20℃的低溫環境下，車輛冷啟動噪音大，且持續時間長達400s左右。聲音大致來自機艙底部，熱車后噪音消失。

對該SUV進行問題復現，將其在-30℃低溫艙靜置一夜后測試冷啟動時車內振動信號，如圖1所示。結果表明，冷啟動時車內存在200HZ附近明顯共振帶。

1.2 問題分析

1.2.1 激勵源分析

該SUV采用兩段式傳動軸，中間設置支承結構。傳動軸振動噪聲從變速器輸出端經傳動軸中間支承傳遞到車身，引起車內結構共鳴聲或振動。鑒于異響來自機艙底部，判斷異響源為傳動軸中間支承。

中間支承由外支架、橡膠襯套和軸承構成，其橡膠襯套采用某合成橡膠，結構如圖2所示。其中，橡膠襯套作為彈性及阻尼元件，用于調節系統剛度及損耗振動能量，是傳動軸的主要隔振結構，用以阻斷或隔離傳動軸的振動激勵傳至車身系統[1]。

1.2.2 中間支承隔振原理

中間支承作為傳動軸與車身之間的隔振結構，可以將其簡化成一個單自由度系統，其激勵頻率w是傳動軸轉動頻率。激勵 。

支承的振幅放大因子β計算如下[2]：

式中，k為支承橡膠襯套的徑向剛度;m為支承的參振質量，即傳動軸施加在中間軸承上的重量。

根據公式（1），得到不同相對阻尼系數下幅頻響應曲線如下。

從幅頻響應曲線可以看出：

（1）當 《1時，激勵基本上全部通過隔振系統，隔振系統未起作用;

（2）當? 時，隔振系統放大了激勵，產生共振，此時，增加阻尼振幅明顯下降;

（3）當 時，隔振系統才能真正起到隔振作用，且? 越大，隔振效果越好。

在設計中，由于激勵頻率往往無法改變，因此為得到好的隔振效果，應該使隔振系統的固有頻率wn比激勵頻率w小，以提高w/wn值。但wn不可設計的過小，若wn過小，要求彈性元件的剛度過低，難以支撐系統重量，進而帶來穩定性的問題。在實際應用中，常取? [4]。

1.2.3 支承橡膠襯套不同溫度剛度變化

對中間支承合成橡膠襯套進行臺架試驗，測試其剛度隨溫度變化關系，結果如圖5所示。

合成橡膠襯套常溫下徑向剛度為35.2N/mm，-20℃徑向剛度為45.7N/mm，-30℃徑向剛度為78.2N/mm。結果表明，溫度低于-20℃，橡膠襯套徑向剛度顯著增大。

綜上，考慮到該SUV異響隨著溫度升高而消失，判斷異響為中間支承橡膠襯套徑向剛度隨溫度降低升高，導致中間支承固有頻率增加，從而使中間支承隔振效果變差引起的。

2 改善方案及驗證

本文從提高中間支承隔振效果角度出發，制定了兩種改善方案。

2.1 方案1—中間支承安裝點增加橡膠隔振墊

考慮到中間支承與車身直接連接，為了能夠快速改善問題，采用在支承安裝點上增加橡膠隔振墊的方式來優化支承的隔振性能，結構如圖6所示。

增加橡膠隔振墊后，在低溫艙進行車輛冷啟動測試，車內振動信號如圖7所示。

結果表明，增加隔振墊，共振問題有改善。但在駕駛室內仍能聽見異響，異響并未完全消除。

2.2 方案2—中間支承橡膠襯套材料變更

由于增加橡膠隔振墊不能明顯改善異響問題，因此考慮從根本上改變橡膠襯套材料來改善低溫支承剛度大的問題。

選取天然橡膠和硅膠兩種常用的橡膠材料進行可行性分析。分別測試了其徑向剛度隨溫度變化關系，結果如圖8、圖9所示。

天然橡膠襯套常溫下徑向剛度為25.1N/mm，-20℃徑向剛度為26.1N/mm，-30℃徑向剛度為27.6N/mm。結果表明，天然橡膠襯套徑向剛度低且隨溫度變化差異不大。

硅膠襯套常溫下徑向剛度為43.52N/mm，-20℃徑向剛度為53.34N/mm，-30℃徑向剛度為57.01N/mm。結果表明，硅膠襯套徑向剛度雖隨溫度變化差異不大，但其剛度偏高，隔振性能不理想。

因此，選取天然橡膠襯套來做改善樣件。更換天然橡膠襯套支承后，在低溫艙進行車輛冷啟動測試，車內振動信號如圖10所示。

結果表明，更換天然橡膠襯套材料改善效果明顯，異響消失。

綜上，相比加隔振墊，從根本上改變橡膠襯套材料來隔離傳動軸的振動激勵傳至車身的隔振措施效果更顯著。

3 結論

傳動軸對整車振動及噪聲有很大影響，傳動軸中間支承是與車身連接的唯一部件，要嚴格控制中間支承設計參數。

本文通過分析激勵傳遞路徑及傳動軸中間支承隔振原理，確認傳動軸中間支承橡膠襯套低溫時剛度增大，隔振變差為異響問題原因。從提高中間支承低溫隔振效果探尋改善方案，最終通過改變橡膠襯套材料，實現了最優的隔振效果。

參考文獻

[1] 尹浚.汽車傳動軸振動分析[J].輕型汽車技術.1998（2/3）：27-39.

[2] 魏春梅.胡錦帆.續西安等.汽車傳動軸中間支承的減振設計[J].機械設計與制造.2015（11）：42-45.

[3] 倪振華.振動力學[M].西安：西安交通大學出版社.1989：79-84.

[4] 徐彪.鄧達.楊中明.重型商用車傳動軸支承的剛度設計[J].汽車科技.2010（1）：62-66.