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基于HyperStudy传动轴减振圈优化设计
石朝亮 王希诚 史建鹏
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摘要：减振圈的设计通常根据经验设计相关参数与传动轴进行匹配，到达降低振动峰值的目的，如果参数设计不合适，则需要进行反复尝试。本文以减振圈主要参数：质量、三向刚度及三向阻尼为设计变量，对某款车型横向传动轴减振圈进行优化分析，得到各参数的最优化分布，减少减振圈匹配的开发周期。
1 前言
随着汽车技术的不断发展和物质生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高，解决好NVH（噪声、振动、异响）问题是改善汽车乘坐舒适性的重要内容。作为汽车传动系统的主要部件，传动轴在汽车行驶中起着传递运动及动力的作用，由于传动轴本身的运动学和动力学特点，不可避免地存在着振动现象。调控汽车传动轴的异常振动是解决NVH问题的关键环节之一，而安装减振圈就是调控传动轴异常振动的主要手段。
减振圈是一个质量弹簧阻尼系统，其作用是调控传动轴一阶弯曲模态引起的异常振动，但不会影响传动轴的平衡、扭转等特性。恰当调节减振圈的质量、刚度、阻尼等参数，可以阻断异常振动的传播途径，取得优异的降噪防振效果。
本文以减振圈质量、三个方向刚度及三个方向阻尼为设计变量，以最低峰值对应频率大于某经验值为约束函数，以最高峰对应的频率最大为优化目标，对某款车型横向传动轴减振圈进行优化分析。
2 优化模型的建立
传动轴的响应与传动轴的尺寸规格、材料特性和边界条件有关，而且理论上是一个拥有无数模态的连续结构。不过通常情况下，只有当传动轴的一阶弯曲模态受到激发时才能引起明显的共振问题，此时外界激励的频率与传动轴本身的一阶固有频率重合，在传动轴中部引起较大的动态位移。这种由传动轴一阶弯曲模态共振造成的汽车NVH问题可以通过在传动轴上安装减振圈来解决。图1表明，减震圈显著的改变并调控了传动轴的振动特性曲线。与传动轴一样，由钢铁质量、橡胶弹簧组成的减振圈也是一个具有本身固有频率的振动系统。减振圈与传动轴构成的组合系统将具有两个共振频率，分别位于原传动轴共振点两侧，而且组合系统的两个新共振频率及振动幅度可以通过减振圈的质量、刚度和阻尼系数来控制。

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图1 减振圈对传动轴动刚度曲线的影响

有限元模型为采用HyperMesh进行前处理，单元类型为实体四面体单元和六面体单元，限制轴和轴套的3个方向位置自由度及轴向旋转自由度，计算减振圈处Z向动刚度，以减振圈主要参数：质量、三个方向刚度值及三个方向阻尼比的值为设计变量，以最低峰值对应频率大于某经验值为约束函数，以最高峰对应的频率最大为优化目标，采用HyperStudy进行优化分析，优化分析流程如图3所示，设计变量如表1所示：

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3 优化结果分析
图4所示为优化过程中各响应迭代过程曲线，优化结果如表2所示。通过优化，根据优化方案进行减振圈处Z向动刚度计算，如图5所示，可以看出，优化后曲线最高峰的峰值所对应的频率由124Hz增加为127Hz，整条曲线向右移动。

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4 结论
(1)减振圈可以改变传动轴的振动特性，有效的降低传动轴振动加速度峰值；
(2)通过HyperStudy优化方法，可以得到减振圈的质量、刚度、阻尼比等参数的最优化分布，避免了反复的尝试，减少减振圈匹配的开发周期。
5 参考文献 [1] 朱卓选.减振圈解决汽车传动轴的NVH问题.上海汽车,2003：14-16 [2] HyperStudy User's Guide. Altair Engineering, 2009 12/26/2013

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