驱动系统的弯曲振动
图16-3 传动轴凸轮轴系的振动及其影响
以前的传动轴设计，只是计算在传动轴两端自由支撑时的横向振动的第一次固有模态，并将其设定在临界速度的范围以外。而实际上，经常会发生低于临界转速的问题，所以，为了使其与实际现象吻合，通常会乘以一个0.7～0.8的修正系数。按照这个思路，轴越长、轴的直径越大，那么就应该是有利的，但是，经常会发生与实际状况不符的现象。其理由是，通常被认为是刚体的发动机缸体、曲轴箱、离合器壳体和变速器后壳体等，实际上并不是完全的刚体，一般其固有频率在100～200Hz范围内，特别是垂直方向的振动，在发动机后端面有时会达到6mm的振幅，传动轴本体的振动也同样，仅考虑轴本身的振动已经不足以描述问题的全部。也就是说，要将包括发动机、变速器、传动轴和后桥在内的整个驱动系统作为研究对象，对整个系统的振动特性加以研究，才能掌握系统的真实振动特性。测试时，通过激振器加振试验，可以很容易地得到驱动系统的振动特性。了解到这些特性以后，就可以知道传动轴的直径过大或者过小都可能造成问题恶化。图16-3所示为当传动轴直径在58～90mm的范围内变化时，驱动系统整体的振动特性变化情况。
驱动系统振动向车身传递的主要路径是发动机悬置系统，从悬置系统的隔振目的来说，要尽可能降低传递到车身上的力。在选择悬置系统的安装点时，要尽可能地选择车身上振动灵敏度低的地方。从振型上来看，发动机前悬置应向后移动，靠近动力总成质心，后悬置应尽量布置的靠前，而实际上由于诸多条件的限制，无法将悬置布置在理想的位置上。所以，在悬置系统布点设计时，要尽可能考虑多方面的性能要求，以选择一个对各方面都有利的平衡点。驱动系统的振动特性，以前一般都是通过激振器加振试验来取得，近年来，随着CAE方法的飞速发展，通过模拟技术来获得驱动系统的振动特性已经成为可能。将驱动轴按照截面积等价分割成长度相同的数段，各个区段之间使用连续的边界条件，导出变形、侧倾、剪切力和弯曲力矩等之间的关系式，通过这种方式可以计算驱动轴系的固有振动频率和振型。
如上所述，为了求得驱动系统构成要素各个部件的变形能之和，列出各要素的振动方程式，即可以求出驱动系统的固有振动频率和振型。Staffeld的计算公式中，忽略了传动轴后端支撑部分的主减速器壳体的振动，而实际上此处的振动很大，其影响是不能忽略的。在推导公式中，考虑到了传动轴后半部分的振动，并且为了计算容易而对输入数据做了适当的简化处理，所求得的结果与实际情况很接近。
理论计算的优点是可以在样车试验之前的设计阶段大致预测产品的性能，根据其结果，可以在样品制造出来之前，更加自由、合理地选择性能最佳的结构，试制周期、成本也能达到最优。除此之外，在产品改造过程中，可以事先得到解决问题的大体方向。计算结果终归是近似值，其中包含了一系列的假设，但是随着测试技术的进步，已经能够高精度地提供计算中所需要的一些基本参数，所以计算结果也与实际测试结果越来越接近，工程上的实用性也越来越高。可以预期，在不久的将来，该领域的技术进步还会取得更高的精度。
解决驱动系统的弯曲振动所引起的振动噪声问题是非常复杂和困难的，下面汇总了实际应用中的一些方法。
图16-4 动力总成弯曲
1.改变振动特性
对于弯曲振动最有效的解决措施，就是把弯曲振动控制在常用车速以外的领域。因此，最常用的方法就是设法提高驱动系统的弯曲刚度，以提高弯曲模态。图16-4所显示的是动力总成的弯曲变形测试结果。从图中可以看到，发动机与离合器壳体连接的位置是刚度最弱的地方，最大的弯曲变形就出现在这里，它也是对弯曲模态影响最大的位置。因此，为了提高动力总成的弯曲模态，最有效的方法就是提高此处的刚度，例如将缸体与离合器壳体之间的接缝消除，设计成一体结构，或者增加加强支架。而提高动力总成内部的构成部件如曲轴、连杆等的刚度，则对动力总成整体的弯曲刚度的影响是很小的。通常在设计上，需要将驱动系统的弯曲固有振动频率设定在与最高车速对应的传动轴转速以上，对于4缸发动机来说，考虑到缸内气体爆发压力的激励，期望能达到2倍以上。
2.减小激励源
如果减小对驱动系统的激励，即使驱动系统的弯曲模态很低，驱动系统的振幅也会控制在可接受的范围内。驱动系统的激励源主要是以下几个方面，对激励源所采取的措施也因此而各不相同。
①发动机的不平衡力（发动机旋转1次）：不同结构类型的发动机，由其结构所决定的不平衡力也是不同的，如直列4缸机的不平衡力主要是2阶的旋转力矩和上下方向的跳动，3缸机的不平衡力主要是1.5次的侧倾力矩和1.0次的俯仰力矩。为了消除这些不平衡激励，可以设计专门的平衡机构。当然，这必然带来结构的复杂性以及成本上的增加。
②转矩变动（0.5次、1次、1.5次等）：一般来说发动机各个气缸之间的发火不均、制造精度的差异等，都会产生半阶次的激励，从而引起音质的变化。所以，为了消除这些半阶次的激励，经常采用精确控制发动机的点火时刻，提高制造精度等方法。
③缸内气体爆发时的冲击：减小主轴承油膜厚度，提高曲轴刚度，减小压缩比等。
④传动轴等部件的旋转不平衡量：减小不平衡量。
⑤万向节（2次）：减小交叉角。
3.振动隔绝
驱动系统的主要振动传递路径是前后的发动机悬置、后悬架以及减振器，如果是独立式后悬架结构，那么主减速器壳体的悬置也是主要的传递路径。如前所述，发动机悬置要尽可能地布置在模态节点位置。另外，为了减小振动的传递，适当的悬置位置和刚度也很重要。
4.动力吸振器
在原有的振动系统上增加一个附加的同频率振动系统，利用两个系统的振动相位差来吸收原振动系统的振动，已经证明是一种行之有效的减振措施，图16-5为动力吸振器原理。图16-6为丰田PRODA纵梁及排气管上使用的两处动力吸振器。
图16-5 动力吸振器原理
图16-6 纵梁及排气管上的动力吸振器