過亮
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)
通常來說,汽車的振動和噪聲主要來自于車身和底盤兩個部分。其中,我國大部分科研人員對汽車車身的NVH研究比較多,因此,我國汽車制造行業(yè)對車身NVH的衡量標準和設計優(yōu)化手段體系都相對完善。相比之下,對汽車底盤NVH的研究內容顯得比較匱乏。汽車驅動后橋既是振動的來源之一,又是汽車傳動結構的重要組成部分,后橋NVH性能的好壞對汽車的使用性能和壽命影響很大。通過網(wǎng)上查閱國內外對汽車后橋NVH的研究成果,我們發(fā)現(xiàn)汽車后橋噪聲主要產(chǎn)生于后橋主錐齒輪和軸承的振動。除此之外,汽車的驅動后橋上與汽車懸架連接,下與汽車輪胎相連,后橋作為汽車的中間結構,在運行的過程中會受到車身的變形和路況變化的影響。汽車運行時,當后橋結構的振動頻率與車身的振動頻率一致時,就會產(chǎn)生共振,從而使汽車產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲,這會給汽車的使用舒適性和運行的平穩(wěn)性帶來不好的影響。從這個方面來說,加大對汽車后橋的NVH研究意義重大。
汽車后橋中振動與噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪振動。一般而言,齒輪的動態(tài)激勵包括內部激勵和外部激勵兩個方面。其中,齒輪的內部激勵是指由于齒輪之間嚙合而產(chǎn)生的激勵;齒輪的外部激勵則是指除齒輪外的機構產(chǎn)生的激勵,比如由于發(fā)動機的振動和軸的不平衡而產(chǎn)生的激勵。根據(jù)齒輪傳動的原理,齒輪在嚙合的法線方向相對轉速為零,在嚙合點的切線方向有相對滑動速度。嚙合點切向的速度在齒輪旋轉的過程中總是呈先減小后增大的趨勢,這也使得摩擦力的方向呈現(xiàn)出周期性變化。
汽車的驅動后橋中共有兩對圓錐滾子軸承,它們都安裝在變速器中。圓錐滾子軸承的主要特點是在運行時其外圈固定,內圈隨汽車傳動軸一起做旋轉運動。軸承部分的振動和噪聲也來自于內部和外部的振動激勵。其中,軸承的外部激勵主要是因軸的動不平衡和齒輪的嚙合不良產(chǎn)生的,內部激勵則是由于軸承自身的裝配不好和磨損產(chǎn)生的。在運轉過程中,雖然軸承外圈固定,但是滾動體跟隨軸做旋轉運動。滾動體的受力大小和方向都是周期性的,在不同的嚙合點,軸承的承力大小、方向以及參與承力的數(shù)目都不一樣。這些都是導致軸承剛度變化的因素,這些因素的存在是無法避免的。
汽車驅動后橋中半軸的振動和噪聲主要來自于外部激勵和少部分的內部激勵。其中,內部激勵是由于軸的靜不平衡產(chǎn)生的。在汽車后橋半軸前、后端都分布有很多激勵源,因此,半軸振動和噪聲的產(chǎn)生主要來源于半軸的外部激勵,這其中就包含發(fā)動機激勵、傳動軸的彎曲激勵、齒輪激勵、軸承激勵等因素。由于半軸布置在驅動后橋的內部,因此其產(chǎn)生的振動和噪聲通過軸承傳遞出來以后就顯得比較小。
通常,在汽車生產(chǎn)車間會存在底盤橫梁與頂蓋間隙過大、黏膠效果不好等現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象,我們進行了深入的研究并制定出兩種可以提高頂蓋模態(tài)的方案:①采用彈性模量較高的黏膠。通過采用這種方案可以使頂蓋模態(tài)達到33 Hz,但是這種方案存在弊端,即用黏膠固定頂蓋會造成其容易變形,因此這種方案很少采用。②增加橫梁高度,以提高其剛度。這種方案也可以使頂蓋模態(tài)分析值達到33 Hz。
通過對不同試制階段的車輛進行NVH測試,我們可以發(fā)現(xiàn)試制階段二的NVH比試制階段一要高。實驗分析結果表明,試制階段的發(fā)動機隔振率達到90%,即表示發(fā)動機部分90%以上的振動都能夠被隔離,符合性能要求。
消除汽車車身地板結構劇烈振動和噪聲的最好方法是改變地板后部結構的振動頻率,使其與傳動軸和發(fā)動機的工作激勵頻率錯開。為了對地板進行優(yōu)化設計,首先要對地板模態(tài)進行靈敏度分析。
基于對降低成本和簡化工藝的考慮,可以嘗試增加汽車后部的地板厚度,并且在汽車的后部橫梁之間加裝一根與車架寬度相等的橫梁,橫梁的截面形狀必須與汽車原有的橫梁形狀一致。這樣不僅可以大大提高汽車整體強度,還可以減少由于發(fā)動機和傳動軸造成的地板振動。通過實踐發(fā)現(xiàn),對汽車地板進行優(yōu)化設計可以有效地改善汽車的NVH性能。
轉向系統(tǒng)是汽車結構中最重要最復雜的部分。為了改善汽車轉向系統(tǒng)的NVH性能,必須綜合考慮模態(tài)性能、結構剛度、車身結構振動傳遞函數(shù)等。從這個層面上來講,將多學科優(yōu)化設計技術運用到對汽車轉向系統(tǒng)NVH性能改善的研究中就顯得尤為重要。在這項技術中,由于優(yōu)化對象和目標明確且單一,因此總會存在唯一的優(yōu)化解。優(yōu)化過程中可以把鈑金件的厚度作為設計變量,并以實現(xiàn)轉向系統(tǒng)的輕量化為目標,以汽車轉向系統(tǒng)的一階彎曲模態(tài)合剛度為約束條件。I-sight多學科優(yōu)化設計的操作過程如下:①在有限元軟件中建立汽車轉向系統(tǒng)的有限元模型;②確定實驗初始的設計變量,并運用PS方法進行靈敏度測試;③采集有效的數(shù)據(jù)信息,并利用最小二乘法構建轉向系統(tǒng)的響應面近似模型;④采用連續(xù)二次規(guī)劃方法(SQP)進行多學科優(yōu)化求解,最終使轉向系統(tǒng)在不增加成本的情況下各項性能達到最優(yōu)。通過上述操作就可以實現(xiàn)改善汽車轉向系統(tǒng)NVH性能的目標。
綜上所述,汽車的NVH特性與車身結構的優(yōu)化設計和汽車的零部件結構有著極大的聯(lián)系,設計人員應該通過具體地分析振動原因提出解決措施。為了提高汽車的使用性能和滿足用戶的使用要求,對汽車NVH特性的研究要綜合運用各領域的先進學科知識和理念。只有在引進先進技術的基礎上提高自主研發(fā)能力,才能不斷地設計出性能優(yōu)良的汽車。
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