随着消费者乘坐舒适性要求越来越高，后驱车传动系噪声研究及控制需从系统层次考虑。本文主要讨论在满足半浮式半轴强度和弯曲刚度前提下，合理分配半轴各杆部直径、降低半轴整体扭转刚度以减小传动系统扭振阶次模态，避开传动系激振力频率，从而提升整车NVH品质。

本文以某4缸发动机车型为例，在设计开发过程中发现：汽车加速时，后桥发出轰鸣声，尤以4档加速时轰鸣声最为严重。为此，专门对4档加速时的整车噪声进行测试发现:存在3个波峰点（见图1）。

由图1可知：3个波峰点的发动机转速分别为1269.3r/min、1667.42r/min和2111.4r/min，对应的激振力频率分别为42.3Hz、55.6Hz和70.4Hz。问题分析过程中发现：变速器挂4档时传动系统扭转方向5阶模态频率（53.8Hz）与第2波峰点激振力频率耦合，即传动系统发生共振现象。

1. 半浮式半轴受力工况分析

半浮式半轴在后桥中的位置详见图2。前置后驱车型加速时，半轴将主减速器输出的驱动转矩传递给车轮；减速时，半轴将车轮的反拖转矩传递给主减速器。半轴受扭时各截面转矩T大小相等。半浮式半轴在受驱动转矩同时承载后轴轴荷，半轴杆部在轴荷作用下，每个截面受弯，但每个截面的弯矩M大小不同（见图3）。

2. 传动系统共振噪声分析及解决方案

传动系统共振噪声产生原理是：汽车加速时，传动系统某阶次扭转模态与动力传动系统转矩波动激振力频率耦合，传动系统产生扭转共振，共振的能量传递到车轮，并通过后悬架系统进一步传递到车体，从而产生驾驶员听到的共振轰鸣声。

为提高汽车乘坐舒适性，需优化传动系统扭转阶次模态分布，避免产生共振现象。解决方法为：提高或降低传动系统扭转阶次模态。半轴作为传动系统细长零部件，其扭转刚度和转动惯量变化对传动系统扭转模态分布影响大。故可调节半轴扭转刚度，使传动系统扭转阶次模态错开动力传动系统转矩波动激振力频率。

此外，还可以加大半轴杆部直径（增加半轴扭转刚度），以提高传动系统阶次模态，但会增加零部件成本且使后悬架的簧下质量增加，故不推荐；减小半轴杆部直径（减小半轴扭转刚度）可降低传动系统扭转阶次模态，但减小半轴杆部直径同时会减小杆部抗弯截面系数。如只减小半轴局部杆部直径，半轴整体弯曲刚度降低，弯曲挠度变大，半轴挠度会累积到半轴轴承位置，导致半轴轴承内外圈倾斜角变大。如超过许用倾角，轴承受力异常产生早期失效。

为实现降低半轴整体扭转刚度同时不增加半轴轴承内外圈倾斜角，可采用分段加粗和减小方案，实现半轴弯曲挠度不增加（即整体弯曲刚度不降低，轴承内外圈倾角不增加）或少量增加情况下，减小半轴整体扭转刚度，达到错开激振力频率目的。具体实施方案是：加粗靠近半轴轴承位附近（即弯矩大部位）的杆部直径，减小靠近差速器齿轮端（即弯矩小部位）的杆部直径。加粗的杆部与减小的杆部采用圆锥面过渡。加粗的杆部长度和减小的杆部长度根据试定长度的整体扭转刚度和挠度试算结果进行反调，直到达到设计目标为止。

3. 优化前后的半轴整体扭转刚度计算

半轴扭转刚度的理论计算公式为 ，其中  ，G=8.25E+10N/m2，为杆部长度，D为杆部直径。三段变截面半轴串联刚度计算公式为 。由此可计算出优化前半轴总扭转刚度值为10778.4rad/Nm，优化后半轴总的扭转刚度值为：6984rad/Nm。表1和表2分别记录了优化前后半轴的局部扭转刚度值。

4. 半轴强度和轴承内外倾角CAE计算方法及优化前后结果

利用Abaqus建立CAE分析模型，计算半轴弯曲强度和半轴轴承内外圈倾角（见图6）。分析模型在半轴轴承位处采用球铰副约束，并与桥壳轴承孔耦合；在半轴与差速器半轴齿轮花键配合处建立圆柱滑动副约束关系；在车轮中心面中心点施加轮边作用力，并与半轴法兰安装面耦合；桥壳半轴套管法兰环焊处和差速器半轴齿轮外圆面设为全约束固定。

将优化前后的半轴导入CAE分析模型计算，计算结果详见表3。可知，优化后的半轴应力和轴承内外倾角均比优化前有少量增加，但仍在可接受范围内，同时实现了轻量化设计。

备注：半轴材料为40Cr，其屈服强度为785MPa；在汽车各行驶工况中，2.5倍满载载荷过坑工况半轴的弯曲角度最大，本车型半轴轴承型号为6307，许用内外圈倾角为10′～15.6′。

5. 优化前后半轴对整车噪声影响对比

半轴优化后，重新对传动系统阶次扭转模态进行分析计算，发现传动系统在变速器挂4档时5阶模态由53.8Hz降为46.5Hz，远离了第2波峰点激振力频率(55.6Hz)，转移到第1和第2波峰点之间的低点47.3Hz附近（第1波峰点频率低，受强度限制，5阶模态优化不到其以下），初步达到错开第2波峰点目标（详见表4）。

装车进行NVH测试，发现第2、第3波峰点消失,其中第2波峰点由73Hz降为69.5Hz，第3波峰点由72Hz降为69.2Hz，降幅分别为3.5Hz和2.8Hz，第1波峰点对应发动机转速由1269.3r/min增加到1300r/min。半轴优化前后4档加速整车内噪声对比如图7所示。

小结

本文对一起传动系统扭转共振问题进行了分析、研究和解决，并提供了案例分析解决思路，该思路可用于优化设计半轴，实现可靠性、避开系统共振和轻量化设计目标。