DOI：10.19466/jki.1674-1986.2019.03.002
李灿I，韩冬冬2，陈昭I汽车的
(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；
2.湖北汽车工业学院，湖北十堰442000)
摘要：介绍了动力吸振器的设计原理，通过设计吸振器优化工具、CAE建模分析以及实验验证，研究了汽车驱动半轴动力吸振器的关键物理参数、数量和安装位置对其减振性能的影响，得出了各影响因素的规律性结论。由所得结论指导实践，对某SUV 车型长半轴吸振器进行优化设计，最终解决了该汽车加速工况车内轰鸣声问题。
关键词：半轴；动力吸振器；减振；轰鸣声
中图分类号：U461.4文献标志码：B文章编号：1674-1986(2019)03-009-05
Research on the Vibration Reduction Performance of Damper for Automobile Semi-axes
LI Can1,HAN Dongdong2,CHEN Zhao1
(1.China Automotive Technology and Research Center Co.,Ltd.,Tianjin300300,China；
2.Hubei University of Automotive Technology,Shiyan Hubei442000,China)
Abstract:The design principles of dynamic vibration absorber was described.Through the design of the vibration absorber optimization tool,CAE modeling analysis and experimental verification,the influence of the key physical parameters,quantity and installation position on the vibration reducing performance of automotive semi-axle dynamic vibration absorber was studied.Some regular conclusions were achieved. Based on the conclusions,the optimization design of the long semi-axis vibration absorber of an SUV model was carried out,and the problem of the car's interior noise in acceleration condition was finally solved.
Keywords:Semi-axes；Dynamic vibration absorber；Vibration Reduction；Roaring
0引言
随着汽车的普及以及人们对生活品质要求的不断提高，汽车的舒适性和声品质也越来越受人们关注，即汽车的NVH性能：噪声（Noise），振动（Vibration），声振粗糙度（Harshness）。
在汽车NVH开发中，往往会出现汽车零部件引起的振动噪声问题⑴，通常采用安装吸振器的方法来解决。例如，文献［2-3］中通过优化动力吸振器的各项参数，解决了半轴引起的车内轰鸣声问题；文献［4］中的研究结果表明，装有动力吸振器的汽车悬架可以较好地改善在高频段车身的剧烈振动和轮胎的接地性；文献［5］中研究了参数可变的动力吸振器的减振性能，并分析了其中的可变参数质量、刚度、阻尼等对主振系统吸振效果的影响；文献［6］中通过在车辆的簧下机件上安装一个与轮胎空腔模态频率相同、相位相反的动力吸振器的方法，大幅度抵消了车轮在该频段内的振动，消除了轮胎的空腔共鸣噪声，改善了整车的NVH特性。本文作者结合仿真与实验，研究影响半轴动力吸振器减振性能的因素，并运用于实际工程问题中。
汽车半轴是汽车传动系的重要部件，对于前驱横置发动机，由于总布置空间的限制，变速器输出轴是偏于单侧的，造成了左右两侧不等距（如图1所示）。半轴一般采用实心轴结构，长半轴由于长度过长，弯曲模态一般很难避开发动机的最高主要点火激励频率。以四缸四冲程发动机为例，额定转速6000r/min，发动机的主阶次（2阶）点火激励频率为200 Hz，而实心长半轴的1阶弯曲模态大约为100-120Hz，在发动机加速过程中，发动机的激励频率就会与半轴的1阶弯曲模态频率发生耦合，产生弯曲共振，振动通过悬架传递到车身，引起车内轰鸣。在实心长半轴上增加橡胶动力吸振器的吸振方案是当前广泛采用的有效手段"勺。
图1长、短半轴结构
1动力吸振器设计原理
动力吸振器是通过弹性元件把辅助弹簧连接到振动系统上的一种减振装置，它可将原系统的单个大的响应峰值降为多个
收稿日期：2018-10-24
作者简介：李灿（1983—），男.硕士，髙级工程师，研究方向为汽车NVH技术：E-mail:Iican@catarc.ac；
研究与开发—
—Automobile Parts2019.03
009
小的响应峰值。
1.1单吸振器模型
半轴单吸振器模型如图2所示。
(4)
1.2双吸振器模型
半轴双吸振器模型如图3所示。
F ⑴Wsin (砒)
他* gc *专*
F(O=/oSin(<»r)f_
图2半轴单吸振器模型
图3半轴双吸振器模型
半轴单吸振器系统的运动学方程⑼可表示为
式中：TH 】、叫分别为主系统等效质量和吸振器的质量；X \ ' X 2
分别为主系统和吸振器的位移；价、他分别为主系统和吸振器 的刚度；C 为吸振器阻尼；F(f)为主系统受到的激励力。
双吸振器系统的运动学方程可表示为
m 2m 3■ 000_0
m 20
X 2
+
5
0X 2
00m 3
匕丿
__C 2
C2_
求解式(1)可得到主系统的振幅放大因子H(s)为
式中：叫、局、衍、C2分别为第二个吸振器的质量、刚度、位
移以及阻尼。
求解式(5)可得到主系统的振幅放大因子〃(3)为
0'
缶、
~k 2他
X 2二
0(5)
*
1兀3丿
< 0 )
/
(农-于)2 + (2^7) 2
v [ ( 1-/) (a 2-y 2)-px )t 2y 2]2 + (2^ay)2[\-( l+/z)y 2]2
f
式中：为主系统在恒力f 0下的静态位移；3为激励频
率；/丄为主系统固有频率；y-—为激励频率比；=—-
\ m x
(i )x m,
为半轴单吸振器系统的质量比;
« =—为半轴单吸振器系统的频率比；$二7■匚为吸振器阻
S
2m 2a )2
尼比。
定点理论是动力吸振器设计的基础，即对于含有制振阻尼
的振动系统，利用频率响应函数曲线上与阻尼无关的特定点来 设计制振装置。通常定点有两个，当这两点高度相等且为曲线 上的最大值时，即得到吸振器最优设计参数：
、导+琴+4坐(1+旳+幻)
a 2 a 2 at] a \a i
A+A+4 亠-+(1+/+/) y 2 + l
«1
«2 a i tt 2 _
(6)
74 -
5 1a=—=-----j \+/±
W 8(1+M )3
(3)
fit 1+“| ) +鳥(l+“2)
.«1«2
y 5-
/产2
满足最优设计条件时的振幅放大因子:
式中：M.=—X ^2=-分别为两吸振器与主系统的质量比;
7711
TTL |
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010
研究与开发
a 产一、
5两吸振器与主系统的频率比；&二卩一、6=^^—分别为两
2m 2a ）2
2m03
吸振器的阻尼比。
双吸振器半轴通常安装两个等质量吸振器，因此半轴双吸 振器系统质量比得到吸振器最优设计参数（近似）：
可知，系统的质量比“会影响主系统两共振峰幅值大小和
间隔距离。系统的质量比越大，吸振效果越好。但是过多增加 吸振器质量会使主系统变得笨重，并且使吸振器的加工和安装
变得困难。因此，在设计吸振器时，系统的质量比是根据实际 情况直接选定的，一般小于a 2。
2.2频率比的影响
根据仿真计算得到不同频率吸振器的减振效果，结果如图
5所示。
a 2 =-0. 7伞+1.03
a,=0. 403(/1+0. 131)70(7)
满足最优设计条件时的振幅放大因子:
=0. 827(^+0. 02)
-0. 62
(8)
8 7 6 5 4 3 2
040 80 120 160 200
频率/Hz
2动力吸振器减振性能分析
在实际工作中，半轴吸振器系统（以下简称为系统）的阻
尼比、频率比、质量比等物理参数并不是唯一需要考虑的因 素，吸振器的安装位置、数量都应加以考虑才能达到最优的减
振效果。文中设计了吸振器优化工具，并结合CAE 与实验验
证，对影响吸振器减振性能的各因素进行了系统研究。研究方 案见表lo
表1动力吸振器减振性能的研究方案
主系统参数影响因素研究方案
质量比M
a 最优，g 最优，“为变量
等效质量®
频率比a
卩取定值，g 最优，a 为变量等效刚度4,
阻尼比g “取定值，a 最优，g 为变量
吸振器个数单、双吸振器最优参数
吸振器位置
吸振器同参数不同位置
图5频率比对吸振器减振性能的影响
可以看出，系统的频率比a 会影响主系统两共振峰频率以
及两共振峰幅值的大小，吸振器频率相比最优频率越小，系统 的左共振峰幅值越小，右共振峰幅值越大；当吸振器频率相比 最优频率越大，系统的左共振峰幅值越大，右共振峰幅值越 小。因此减小系统的频率比有利于解决汽车低转速共振问题,
增大系统频率比有利于解决高转速共振问题。
2.3 阻尼比的影响
计算得到不同阻尼比吸振器的减振效果如图6所示，最优 阻尼比为0. 23o
2. 1质量比的影响
根据仿真计算得到不同质量吸振器的减振效果，结果如图
4所示。
hb E y ^w
骋
o o
40
80 120 160 200
频率/Hz
6 5
4 3 2
用国y
整葺鴨
40
80
120 160 200
频率/Hz
图4质量比对吸振器减振性能的影响
图6阻尼比对吸振器减振性能的影响
可知，阻尼比会影响主系统的两共振峰频率以及两共振峰 幅值的大小，当吸振器的阻尼比最优时，系统的两共振峰幅值 等高且最小；当阻尼比由最优值向下减小时，两共振峰频率间
隔变大，幅值变大，并且右共振峰幅值大于左共振峰；当阻尼
比由最优值向上增加时，两共振峰幅值变大，并且逐渐重合, 变为单共振峰。
«2 =丄分别为
f E y
罡理鴨
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研究与开发
011
2.4单吸振器和双吸振器的影响
仿真优化吸振器的质量比、阻尼比和频率比，得到单吸振
器及双吸振器的减振效果如图7所示。
2
°0
6 4 2 0 8 6 4
I w
El y 栏蹙曙
40
80 120频率/Hz
160 200
图7吸振器数量对其减振性能的影响
可以看出，光轴有一个明显的共振峰，安装单吸振器与双
吸振器均有显著的减振效果；双吸振器的减振效果可以在单吸 振器的基础上增加40%左右。
设计实验研究吸振器数量的影响，分别对光轴、单吸振器
半轴及双吸振器半轴进行约束状态半轴频响函数测试，如图8
所示。
可知，测试结果与仿真结果规律一致。在安装空间和质量 允许的前提下，双吸振器的减振性能要比单吸振器更优。
2.5 安装位置的影响
实际情况下，吸振器可能由于空间的限制无法处于最佳减 振位置，需要进行适当调整。利用CAE 分析吸振器在不同安
装位置的减振性能，图9为吸振器位置示意图，结果如图10
所示。
)6
0.8 7
o o 0.0.5 4 3
2
.o m .0.00.0.0.0.0.01
0-30
5580 105 130 155 180 205
频率/Hz
图10吸振器位置对吸振器减振性能的影响
由结果可知，吸振器在半轴上的安装位置越靠近中心，即
越靠近1阶弯曲模态最大振幅处，两共振峰的幅值越小，频率
相差越大。
通过实验对吸振器位置进行研究，测试结果如图11所示。
o o
.4.30.0.0.0.(N ・Ml )
迪蹙
o
250
100 150
频率/Hz
200
图11不同吸振器位置对应半轴频响曲线
可以看出，实验与仿真规律一致，因此在空间条件允许的 情况下，吸振器的安装位置应尽量靠近半轴的中心，实际布置
位置推荐在半轴1/3~ 1/2处。
3半轴优化验证
如图12所示，某SUV 车型加速行驶至3 400-3 800 r/min 时，车内出现明显的轰鸣声。测试结果显示该转速段内噪声主
要由2阶噪声贡献，对应频率段为113〜127 Hz 。
o o o 9 8 7o o
6 5(V )H P
、<^
40
转速/(10‘r • min *)
图12驾驶员右耳噪声总级和2阶噪声曲线
1/8 1/4
1/2
图9吸振器位置示意图通过对驱动半轴进行约束模态测试，得到半轴的1阶弯曲
模态频率为119 Hz，如图13所示。因此判断是半轴1阶弯曲
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频率/Hz
(Z 3
理
®模态频率与发动机2阶点火激励频率耦合，导致半轴共振，弓| 起了车内轰鸣声。
0.28
0.200.100.00
图13驱动半轴频响曲线
通过优化计算后，为满足性能要求，采用双吸振器方案, 吸振器的参数和位置如表2、图14所示。
表2吸振器参数
吸振器
质量/g
频率/Hz
阻尼比
1号
45080
0.212号450
107
0. 29
"LJ ----------------LJ"
2/5 3/5
图14两吸振器安装位置
对车辆半轴安装吸振器后进行主观评价，3 400- 3 800
r/min 车内加速轰鸣声消失。测试结果如图15所示，可以看出
3 400〜3 800 r/min 驾驶员右耳噪声总级和2阶噪声分别降彳氐 7. 8和11.8 dB，该问题得到有效解决。
o
2o
o 9 6
(V «P 、M
藩
1 一光轴(右耳噪声总级)
2— 光轴(2阶噪声曲线)
3— 加双吸振器(右耳噪声总级)4— 加双吸振器(2阶噪声曲线)
0.9 2 3 4 5
转速/(10?r • min")
30
图15驾驶员右耳噪声对比曲线
4总结
通过设计吸振器优化工具、CAE 建模分析以及实验验证,
对影响半轴吸振器减振性能的各项因素进行了研究：
(1) 系统的质量比决定最优频率比和最优阻尼比。
(2) 系统的质量比越大，减振效果越优，实际工程应用中
系统的质量比一般小于0. 2O
(3) 减小系统的频率比有利于解决汽车低转速共振问题,
增大系统频率比有利于解决高转速共振问题。
(4) 不断增大系统的阻尼比会使系统产生一个幅值较高的
共振峰，而不断减小系统的阻尼比则会使两共振峰幅值均
增大。
(5) 双吸振器的减振效果可以在单吸振器的基础上增加
40%左右。
(6) 吸振器的安装位置越靠近半轴的中心，即1阶弯曲模
态振幅最大处，其减振效果越好。
(7) 根据研究成果，针对某SUV 车型，设计半轴吸振器,
成功消除其加速工况3 400-3 800 r/min 车内轰鸣声问题，对解
决类似工程问题具有较强的指导意义。
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