提升汽车NVH性能：Birfield球笼万向节替代十字轴万向节的设计方案研究
摘要：传输轴是汽车传输系统的重要组成部分。它的性能会影响车辆的NVH性能。为了改善变速轴对NVH性能的影响，提出了一种设计方案，以替换带有Birfield Cage通用关节的三个近轴通用关节的透射轴的中间横轴通用关节，以及在IntermedMediate支撑处的两个传输轴的三个通用关节的激发力，并求解了IntermedMediate Support solved和Analde solved和Analysed。理论研究结果也经过实验验证。结果表明，Birfield Cage通用接头的附加弯矩相对稳定，这有助于将透射轴的激发减少到中间支撑，从而使车辆体的兴奋不那么兴奋，从而改善了车辆的NVH性能。
0简介
在前线驱动车辆中，驱动轴是必不可少的电源传输元件。通用关节的扭矩失衡会导致透射轴旋转时发生振动。这些振动通过中间支撑传递给车辆，从而影响车辆的骑行舒适性和整个车辆的NVH性能。因此，迫切需要优化和改善变速箱，以改善车辆的骑行舒适度和整个车辆的NVH性能。
作为透射轴的重要组成部分，通用关节在透射轴的NVH特性中起着至关重要的作用。 Yan Gongzhe [1]创新了7通道球笼型常数速度通用关节。在不同的工作条件下，两个球笼型恒定速度通用接头的挥杆角，旋转速度以及钢球在内部和外部通道上的力和磨损以及变化规则之间的关系。理论结果表明，具有创新结构的球笼型恒定速度通用接头的动态性能明显优于传统结构。天·海兰（Tian Hailan）等。 [2]基于ADAM和ANSYS进行了动态特征分析，并使用了理论计算和运动模拟的组合，以获得跨轴通用关节输出轴的角加速度和角速度曲线。 Jian-Wei Lu等。 [3]建立了一个动态模型，用于横轴通用关节的横杂志的组装间隙，并分析了通用关节的传输特性。对通用关节传输特征的先前研究为本研究中传输轴的优化和修改提供了理论基础。
国内外学者对由通用关节和轴组成的传输轴或传输系统的振动特征和稳定性进行了相对成熟的研究。 Zhao Qian等。 [4]讨论了从激发，传播路径，响应响应响应的振动噪声问题的方法，这些响应是由跨通用关节驱动轴激发引起的汽车振动噪声现象，并引入了该方法的应用。 GökhanBulut[5]进行了单轴轴通用关节传输系统扭转振动的动态稳定性分析，分析结果显示在Mathieu-Hill方程和Strutt-Ince图表中。 Li Ning等。 [6]建立了双横轴通用接头的透射轴的速度比和角方程，定量分析了相角对速度比的影响，并得出结论，最佳相位角度是透射轴的相位角度等于透射表面的角度时，方向相反。
上述研究仅限于跨轴通用联合系列系统的研究。跨轴通用关节系列形成的传输系统的优化进入了瓶颈阶段，很难使其性能显着改善，这严重限制了整个车辆NVH性能的改善。使用Ball Cage Universal关节与横轴通用关节之间的混合连接的变速轴是一个新的讨论。迫切需要研究使用Ball Cage Universal关节和横轴通用关节的透射轴的振动性能。
1通用关节转移特性的分析1.1跨轴及通用关节传递特性的分析
横轴通用关节是非恒定速度通用关节。当输入轴和输出轴之间有一个角度时，输出速度和输出扭矩将定期波动，并且波动振幅随着随附的角度的增加而增加。对于单轴通用关节，其简化结构如图1所示。
图1横轴通用关节结构的简单图
在图1中，θ1是输入轴旋转角。 θ2是输出轴旋转角； ω1是输入速度； ω2是输出速度； α是输入轴和输出轴之间的随附角度； T1是输入扭矩； T2是输出扭矩。
根据跨轴通用关节的运动特性，可以获得输出速度ω2和输入速度ω1之间的关系[7]
在不考虑功率损耗的情况下，输出扭矩T2与输入扭矩T1之间的关系可以作为
当输入轴和输出轴之间的角度α不是0时，T1和T2不是共线，并且不符合力平衡条件，因此机制中必须有额外的弯曲力矩才能平衡它。输入轴附加弯矩T'1和输出轴附加弯矩T'2可以描述为
1.2分析球笼子通用关节的传输特性
笼型通用关节是一个等及速度通用关节。对于单个Birfield Cage通用关节，其结构如图2所示。
图2 Birfield Cage通用关节的横截面
在图2中，A是从钢球中心到输出轴的距离。 B是从钢球中心到输入轴的距离； β是轴之间角度的一分子。 α是输出轴和输入轴之间的角度。
当输入轴和输出轴之间的角度α不是0时，在Birfield球笼中的六个钢球形成的平面始终保持在轴之间的双压上。对于每个钢球，距离A和距离B相等，这符合通用的关节恒定速度传输的特征。因此，有
通过比较跨轴通用关节和Birfield Ball Cage通用关节的特性分析结果，可以看出，输出轴角速度ω1，输出扭矩T1和跨轴通用关节的额外弯曲力矩都具有与输入旋转角θ1相关的周期性波动；虽然输出轴角速度ω2，而输出扭矩T2和Birfield Ball Cage通用关节的额外弯矩都是固定值，从而消除了由上述参数的周期性波动引起的振动，这有助于提高透射系统操作的稳定性。
2分析两阶段传输轴2.1布置方案的激发力的分析
对于由前引擎后轮驱动的车辆，驱动轴是将变速箱功率传输到主还原器的重要组件。研究车辆型号的变速箱是一个两阶段的变速箱轴。轴管通过通用关节连接，并配备中间支撑，以确保透射轴的平稳操作。由于在透射轴中间有一个橡胶振动的环，在通用接头的附加弯矩的作用下，最明显的是，透射轴在中间支撑处产生的振动和噪声是最明显的。这些振动和噪声通过中间支撑传输到车辆，影响整个车辆的NVH性能。
图3显示了正在研究的车辆模型的原始变速箱轴，即3横轴通用关节透射轴。
图3 3横轴通用关节驱动轴
在图3中，1是第一个通用关节，2是轴1，3是中间支撑，4是第二个通用关节，5是轴2，而6是第三个通用关节。
在传输轴中间支撑下，通用关节的额外弯矩的激发力为第二个通用关节的额外弯曲力矩做出了最大的贡献。 Birfield Cage通用关节输入轴和输出轴的额外弯矩是恒定的。如果三个横轴通用关节的第二个横轴通用关节被Birfield Cage通用关节取代，则中间支撑处的透射轴的激发力将被削弱。修改后的Birfield Ball Cage通用关节驱动轴如图4所示。
图4 Birfield Ball Cage通用关节驱动轴的示意图
2.2分析横轴通用关节透射轴中间支撑处的激发力
通用关节的额外弯曲力量作用于三个横轴通用关节驱动轴的中间支撑，包括：第一次跨轴轴轴的额外弯曲时刻，这是第二个跨轴通用关节输入轴的额外弯曲时刻，第二个跨轴轴轴轴的额外弯曲轴的额外弯曲瞬间，第二次跨轴轴的近距离横轴的额外弯曲瞬间，以及第三次弯曲轴的额外弯曲速记，以及第三次通用轴的速度。由于第一个横轴通用关节输入轴与滑动条线连接到变速箱，因此其额外的弯矩作用在条轴上。第三个横轴通用关节输出轴是连接到主还原器主牙齿法兰的法兰，其额外的弯矩作用于主还原器驾驶齿轮上的两个支撑轴承。为了易于计算和分析，假定中间支撑轴与轴1水平重合。
图5横轴通用关节透射轴管长度的示意图
在图中5，L1是从第一个通用关节到中间支撑的水平距离； L2是从中间支撑到第二个通用关节的水平距离； L3是从中间支撑到第三个通用关节的水平距离。
根据公式（2）和公式（3），可获得作用于三个横轴通用关节驱动轴的中间支撑的其他弯矩。
在公式中，T'JIN是jth通用关节输入轴的附加弯矩。 T'Jout是J -jth通用关节输出轴的附加弯矩。
根据公式（1），每个角度之间的关系为
第三个横轴通用关节输入轴的额外弯矩通过第二个通用关节作用于中间支撑，忽略了第二个通用关节的摩擦和振动。根据公式（9），可以单独计算在透射轴中间支撑处的每个附加弯矩的动力。
在公式中，F'JIN是中间支撑处的第四个通用关节输入轴的力。 F'JOUT是中间支撑处的第四次通用关节输出轴的力。
如公式（10）所示，在垂直方向y和水平方向上，每个通用关节的附加弯矩在透射轴中间支撑下的额外弯曲力矩分解为垂直方向y和水平方向x的激发力。
在公式中，F'Jinx是X方向上F'Jin的分解力。 F'Jiny是f'Jin在y方向上的分解力。 f'joutx是X方向上F'Jout的分解力； f'jouty是f'jout在y方向上的分解力。
根据三个通用关节的布置，在3个横轴通用关节透射轴的X方向上，由通用关节的附加弯矩产生的等效激发力FCOX是
在3横轴通用关节透射轴的Y方向上，通用关节的附加弯矩产生的等效激发力FCOY是
2.3在Birfield Ball Cage通用关节驱动轴的中间支撑处的激发力分析
Birfield Cage通用关节透射轴中间支撑的激发力来源与3横轴通用关节透射轴的激发力相同。但是，由于跨轴通用关节的相位布置的调整以及Birfield Cage通用关节动力学特征的特殊特征，因此在Birfield Cage通用关节透射轴中间支撑的激发力与跨轴轴通用关节透射轴的不同之处。
图6 Birfield Ball Cage通用关节传输轴管的长度示意图
在图中6，l'1是从第一个通用关节到中间支撑的距离； L'2是从中间支撑到第二个通用关节的距离； L'3是从中间支撑到第三个通用关节的距离。
根据公式（5）和（6），获得了作用于Birfield Ball Cage通用关节透射轴中间支撑的其他弯矩。
根据公式（1）和公式（4），每个角度之间的关系为
由于Birfield Cage通用关节的大小和方向不会随旋转角的变化而变化，因此在水平方向X沿birfield Cage通用关节输入轴和输出轴的投影弯矩X和垂直方向Y。
公式（16）显示了分解额外弯矩在透射轴中间支撑上的力量的结果，而分解Y方向结果的结果显示在公式（17）中。
根据三个通用关节的布置，在水平方向x的额外弯曲力矩在Birfield Ball Cage的通用关节传输轴的中间支撑处产生的等效激发力F'Cox。
在Birfield Ball Cage的通用关节透射轴中间的额外弯曲时刻产生的等效激发力F'COY具有
2.4对两个驱动轴之间轴承力的比较分析
通过在3横轴的X方向上X方向上的额外弯矩产生的等效激发力FCOX获得了3横轴通用关节透射轴的中间支撑
在3横轴的中间支撑的Y方向上，获得了3横轴通用关节透射轴的Y方向产生的等效激发力FCOY，以
在Birfield Ball Cage Universal Translass轴X方向上的额外弯曲时刻产生的等效激发力F'Cox被以
普遍关节的额外弯曲力矩在Birfield Ball Cage的通用关节透射轴的Y方向上产生的等效激发力F'COY如下：
激发力刺激中间支撑，导致振动发生，然后中间支撑通过机箱将振动传输到车辆。激发力越大，汽车内部的地板就越剧烈。公式（20），公式（21），公式（22）和公式（23）相对复杂，很难直观地看到激发力与透射轴的旋转过程之间的关系。在这项研究中，当车辆以50 km/h的恒定速度驾驶时，可以根据车辆模型参数将变速轴负载T3计算为87 n·m。所研究的车辆模型的已知参数α1，α2，α3，L1，L2和L3被取代，其中α2分别为3°，4°，4°，5°，6°和7°。以θ1为自变量，可以在MATLAB中求解激发力FCOX和θ1之间的变化关系曲线，并且截获了从0°到720°的变化范围曲线。如图7所示，在图7中，当α2分别分别取3°，4°，5°，6°和7°时，五个曲线表示曲线。同样，在MATLAB中，可以在MATLAB中求解激发力FCOY和θ1之间的变化关系曲线，如图8所示。在MATLAB中，激发力F'Cox和θ1之间的变化关系曲线可以在MATLAB中求解，如图9所示。在MATLAB中，激发力F'Cox和θ1之间的变化关系曲线可以在MATLAB中求解，如图9所示。在MATLAB中，激发力F'Coy和θ1之间的变化关系曲线可以在MATLAB中求解，如图10所示。
图7激发力FCOX和θ1的关系曲线
图8激发力FCOY和θ1的关系曲线
图9激发力F'Cox和θ1的关系曲线
图10激发力F'Coy和θ1的关系曲线
比较图7和图9，可以看出，随着角度α2的变化，沿3横轴通用接头透射轴的X方向的激发力具有一定的变化，而在Birfield Ball Cage Universal Transloss轴的X方向上激发力的变化很小，可以忽略并且可以忽略。尽管在Birfield Ball Cag cage通用关节传输轴X方向上的激发力值大于3横轴通用关节传输轴的激发值，但其激发力接近梯形波浪单向激发，这比三角形轴轴的三角电波激发3-CROSS轴通用透射haft有效地降低了Vibration vibration vibration。 Comparing Figure 8 and Figure 10, it can be seen that compared with the 3-cross-axis universal joint transmission shaft, the excitation force of the Birfield ball cage universal joint transmission shaft in the Y direction is greatly reduced, which optimizes the vertical impact of the intermediate support of the transmission shaft assembly on the vehicle floor, reduces the vibration of the vehicle floor, and reduces the noise in the vehicle.
对结果的全面分析表明，通过用Birfield Cage Universal接头代替原始透射轴的第二个横轴通用接头，可以获得Birfield Cage通用关节驱动轴并改善了轴叉相角。修改后的Birfield Ball Cage通用关节传输轴将激发力沿Y方向转移到X方向上的Y方向，并且沿X方向的激发力变得更加柔和，从而大大降低了y方向上的激发力，并减轻了在传输轴上的中间支撑，从而改善了整个车辆的振动和噪声。
3测试验证
测试并验证了上述两个传输轴的理论分析结果。使用同一辆车进行了测试，并分别安装了两个传输轴进行测试。根据企业制定的标准，车辆振动和噪声性能评估实验是在A类路面上进行的。测试中使用的软件是LMStestLab，如图11所示。
图11 LMSTESTLAB测试接口和信号采集集成设备
在测试之前，在中间座椅枕头的侧面排列了一个高敏性麦克风，以收集附近人耳可以感觉到的噪声信号。可以通过使用测试软件来计算获取的噪声信号来获得变速轴顺序（1.21顺序）的噪声条件。移位传感器安装在透射轴的中间支撑上方，以测量透射轴中间支撑的垂直方向的振动位移。收集的位移信号是通过测试软件频率降低的。由于原始车辆的3个横轴通用关节变速箱更具振动性和5速全油门加速度下的噪声，因此该测试的工作条件是：5速全油门加速度。
3.1车载噪声结果和分析
座椅的中排地板连接到传输轴的中间支撑。在车载噪声测试中，中间排噪声通常用作评估传输轴中间支撑性能的主要指标，它也是评估传输轴整体性能的重要指标之一。图12显示了两个变速箱轴的车辆中的噪声排放。在图中，实线是3-跨通用关节透射轴的车辆噪声，虚线是Birfield Ball Cage通用关节透射轴的车辆噪声。
图12汽车中的噪声排放情况
如图12所示，在低速区域，由于功率匹配不平衡，车辆变速箱系统明显摇晃，并且两辆车都有明显的噪声峰。在随后的加速过程中，两辆车的噪声情况相对稳定，而Birfield Ball Cage通用关节透射轴的中端噪声明显低于3个跨轴通用关节传输轴的中间噪声，该轴在中和低速区域中减少了约5 dB。在中和高速区域中减少约2 dB。理论部分中的Birfield Ball Cage通用关节透射轴极大地削弱了透射轴中间支撑处的Y方向激发力，从而削弱了振动和噪声。可以看出，Birfield Ball Cage Universal Translass轴对减少车辆的噪声具有一定的促进作用，这有利于改善整个车辆的NVH性能。
3.2顺序噪声结果和分析
如图13所示，从中间放电噪声中提取透射轴阶噪声。图1中的实线是3轴轴通用关节透射轴的车辆顺序噪声，虚线是Birfield Ball Cage Universal Translans Transmans Translans Transmine transmine throser Order（1.21阶）噪声。
图13传输轴订单噪声
如图14所示，在1000R/min到4000r/min的整个速度面积上，3横轴通用的关节传输轴具有明显的顺序噪声波动，在3000R/min到4000R/min的面积中，订单噪声波动显而易见，并且在3000R/min/min/min/min/min/min/min/min/min/min/min/min and Min/min and Min Ardise Fluctication and Ordise噪声波动显而易见。 Birfield Ball Cage通用关节变速箱在此操作条件下的全速区域有稳定的变化，并且在1500R/min面积为2500R/min面积的订单平均噪声较高，但订单噪声波动较小。验证了Birfield Ball Cag Cage通用透射轴激发方法的理论部分。梯形波的x方向激发中激发力的激发方法接近梯形波的激发方法，使兴奋力柔和。可以看出，Birfield Cage通用关节变速箱的平稳订单噪声可以为乘客提供更好的骑行舒适性并改善整个车辆的NVH性能。
3.3频谱结果和分析在驱动轴的中间支持下
可以通过测试软件分别获得两个传输轴的光谱来获得收集信号的频域处理。 3轴通用关节透射轴的频谱如图14所示； Birfield Ball Cage通用关节传输轴的频谱如图15所示。
图14 3横轴通用关节透射轴光谱
图15 Birfield Ball Cage通用关节驱动轴频谱
如图14所示，3横轴通用关节透射轴具有0到1.2 kHz之间的多个峰，其峰在3.1至10 kHz之间，幅度更大，振动更大。如图15所示，Birfield Ball Cage通用关节透射轴的峰值在3.4和6.2 kHz之间的峰值更高，但振幅小于3横轴通用关节透射轴的峰值。其余频率的幅度更小，更稳定。
通过上述分析，可以看出，Birfield Ball Cage通用关节透射轴的振幅总体比3横轴通用关节透射轴的整体幅度小，并且具有更好的稳定性，这有助于改善整个车辆的NVH性能。
4结论
使用Birfield Cage通用关节的恒定速度传输特性，三个横轴通用关节的第二个横轴通用关节更改为Birfield Cage Universal接头，并且第三个横轴通用关节的排列更改为Birfield Cage Cage cage Universal Translass透射轴。在两个透射轴中间支撑处对激发力解的分析和测试验证。结果表明，Birfield Cage通用关节将原始传输轴的Y方向激发力转移到X方向上，以使修改后的Birfield Cage Cage通用关节激发力通过修改获得的X方向传输轴中的单向软激励将其变成一个单向软激励，接近静脉差异，并在此差异，并在此差异，并在此方向弱化，并弱化了静脉的弱点，从而使该动力弱化，从而使杂物降低了差异。噪声变得更加稳定。分析了两个透射轴的频谱，结果表明，Birfield Ball Cage通用关节透射轴的幅度比3横轴轴通用关节透射轴的稳定性更小，并且具有更好的稳定性。改良的Birfield Cage通用关节变速箱轴有利于改善车辆的骑行舒适性和车辆的NVH性能。