某SUV低速橫擺問題的識別分析

李 玲，顏伏伍，劉宗成，魏 潘

（東風小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心，重慶 400039）

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車的振動與噪聲問題日益凸顯，汽車乘坐舒適性也逐漸引起消費者的關注，且成為評判車輛性能和檔次的重要依據(jù)之一，它的提高主要依賴汽車NVH技術(shù)的發(fā)展和支持[1]。因此，汽車NVH性能已成為影響各個汽車企業(yè)市場競爭力的重要因素。

車輛橫擺是汽車比較常見的問題。目前，國內(nèi)外關于橫擺問題的研究基本上都是從動力學的角度出發(fā)，對高速車輛橫擺問題進行理論控制研究。如文獻[2]～[4]，基于汽車動力學理論，通過運用不同的模型預測控制算法對車輛的橫擺進行較多的理論研究，但主要應用于高速路況。對橫擺問題的工程應用研究較少，謝磊等[5]采用故障樹分析法（FTA）最終確定故障原因是驅(qū)動軸工作角度大導致驅(qū)動軸滑移阻力過大，同時提出通過更改發(fā)動機懸置位置的方法降低驅(qū)動軸布置夾角，從而解決低速橫擺問題，但未對問題的根源進行深入調(diào)查，且更改發(fā)動機懸置位置方案不適合后期NVH調(diào)校。驅(qū)動軸作為現(xiàn)代汽車傳動裝置的關鍵部件之一，它對于整車的NVH性能有著非常重要的影響[6]。驅(qū)動軸除自身會產(chǎn)生NVH外，也會傳遞和放大整車的NVH。驅(qū)動軸引起的常見NVH現(xiàn)象有：（1）驅(qū)動軸異響，主要表現(xiàn)在四驅(qū)車上，驅(qū)動軸在車輛行駛過程中發(fā)出異響，主要由驅(qū)動軸的動不平衡引起。（2）由驅(qū)動軸共振引起的某特定轉(zhuǎn)速下車內(nèi)轟鳴和振動，兩驅(qū)和四驅(qū)車上均會出現(xiàn)，產(chǎn)生原因為驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)頻與其1階固有頻率耦合而發(fā)生共振。此時，四驅(qū)車一般采用在驅(qū)動軸內(nèi)增加減振襯或增加軸管外徑的方法提高驅(qū)動軸的模態(tài)頻率，兩驅(qū)車一般在驅(qū)動軸上增加對應共振頻率的吸振器來解決問題[7]。（3）車輛低速橫擺，主要表現(xiàn)在兩驅(qū)車上，與驅(qū)動軸的設計角度、節(jié)型、潤滑脂等有關。截止目前，未查閱到從NVH角度出發(fā)，對車輛后期調(diào)校過程中出現(xiàn)的低速橫擺問題進行快速有效解決的研究文獻。

針對某SUV在急加速過程中出現(xiàn)的車身橫擺問題，對該車駕駛員座椅導軌和驅(qū)動軸中間支撐振動進行測試，通過頻譜分析、階次分析、對比分析，確定車身橫擺的原因是由驅(qū)動軸三階不平衡激勵引起。考慮到工程實際，最終采用控制內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙和換用潤滑效果更好的潤滑脂來解決該問題。

1 問題描述及分析

該SUV樣車在車輛試制階段主觀評價時，發(fā)現(xiàn)2擋急加速在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000～2 600 r/min存在明顯的車身橫擺現(xiàn)象，前排較后排明顯，且上坡比平路明顯。該車型的基本信息見表1。

表1 車型基本信息

在平直道路上對駕駛員座椅導軌振動進行NVH測試，在駕駛員座椅外側(cè)導軌后安裝點位置布置加速度傳感器，變速器掛2擋，利用LMS Test.Lab軟件進行急加速工況測試。測試進行三次，取一致性較好的一次作為測試結(jié)果，測試結(jié)果如圖1所示。經(jīng)專業(yè)主觀評價人員評分，該車型低速橫擺問題的主觀評價平均得分為4.5分，評分基準依據(jù)行業(yè)通用標準，見表2。

表2 主觀評價評分基準表

圖1 駕駛員座椅導軌y向（橫向）振動頻譜圖

由圖1可知，當車輛急加速且發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000～2 600 r/min時車身橫擺產(chǎn)生的主要貢獻為0.34階振動較大，頻率集中在10～16 Hz，遠大于發(fā)動機2階振動，這屬于不正常現(xiàn)象。通過提取0.34階的階次切片，發(fā)現(xiàn)在問題轉(zhuǎn)速段存在較大峰值，最大值為0.372 4 m/s2，如圖2所示。

根據(jù)經(jīng)驗，0.34階應為與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)相關的某一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)階次，可能是由該件的工作不平順激勵引起模態(tài)頻率在10～16 Hz之間的系統(tǒng)共振造成的。人體器官的固有頻率也在該頻段內(nèi)（頭部為8～12 Hz，肢體為10～12 Hz），所以人體對該頻率段的振動較敏感[8]。而在這個頻段內(nèi)集中著動力總成的多個剛體模態(tài)和整車的第一階剛體模態(tài)，而這些系統(tǒng)都無法避開這一頻段。所以只能通過找到激勵源，并減小激勵源的激勵來解決此問題。

2 真因查找

2.1 激勵源查找

對于0.34階的激勵，首先要查找與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)相關的各旋轉(zhuǎn)件的傳動比。該SUV樣車2擋速比為2.045，主減比為4.353，采用等速驅(qū)動軸。等速驅(qū)動軸包括兩套等速萬向節(jié)，其中球籠式萬向節(jié)用于靠近車輪的固定端，在靠近變速器滑移端采用伸縮型的三球銷式等速萬向節(jié)[9]，如圖3所示。三球銷式等速萬向節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。在車輛行駛過程中，驅(qū)動軸每旋轉(zhuǎn)一圈，萬向節(jié)內(nèi)的三叉軸承會對驅(qū)動軸激勵三次，經(jīng)計算，得知0.34階的由來為：

由此，可以初步判定該SUV樣車出現(xiàn)低速橫擺的原因為驅(qū)動軸的三階不平衡激勵。

圖3 右驅(qū)動軸總成

圖4 三球銷式等速節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為對上面的分析結(jié)論進行驗證，在驅(qū)動軸中間支撐位置布置一個加速度傳感器，變速器掛2擋，進行全負荷加速工況測試。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 驅(qū)動軸中間支撐y向振動

由圖5可知， 驅(qū)動軸中間支撐y向振動問題轉(zhuǎn)速與座椅導軌振動一致，由此可確定該樣車出現(xiàn)低速橫擺的原因為驅(qū)動軸激勵。隨后在相同工況下對驅(qū)動軸另一端相連的輪胎軸頭進行振動測試，測試結(jié)果與驅(qū)動軸中間支撐y向振動問題轉(zhuǎn)速一致，如圖6所示。由此可以確定該問題的傳遞路徑可以分為兩條：（1）驅(qū)動軸激勵→中間支撐→發(fā)動機→發(fā)動機懸置→車身。

圖6 輪胎軸頭y向振動

（2）驅(qū)動軸激勵→輪胎→懸架→車身。

2.2 真因分析

目前市場上中低端的前置前驅(qū)SUV大多都采用這種三球銷式萬向節(jié)，且該SUV的兩款對標車也是采用這樣的萬向節(jié)，對這兩款標桿車進行主觀評價未發(fā)現(xiàn)低速橫擺問題。相同工況下對兩款對標車進行客觀測試，結(jié)果顯示駕駛員座椅導軌存在驅(qū)動軸三階的激勵階次，但均遠小于其發(fā)動機二階激勵，且兩款標桿車的驅(qū)動軸三階振動遠小于該SUV樣車，如圖7所示。這說明對于采用三球銷式萬向節(jié)的前置前驅(qū)車輛，驅(qū)動軸的三階激勵是常見現(xiàn)象，但如果激勵力過大，很容易產(chǎn)生車身橫擺問題。

圖7 驅(qū)動軸三階座椅導軌振動對比

對于低速橫擺問題，根據(jù)文獻[5]，提出通過更改發(fā)動機懸置位置來降低驅(qū)動軸布置夾角的方案。通過對實車進行空載測量，發(fā)現(xiàn)標桿車1驅(qū)動軸布置夾角為4°，標桿車2驅(qū)動軸布置夾角為3.5°，該SUV驅(qū)動軸布置夾角為6.5°。驅(qū)動軸布置角度大，低速加速行駛時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩較大，萬向節(jié)的軸向派生力就大[10]，易產(chǎn)生車輛橫擺問題。通過與對標車進行對比分析，確定該SUV出現(xiàn)低速橫擺的真因為驅(qū)動軸布置角度過大。

但該SUV即將量產(chǎn)，發(fā)動機懸置位置及相關的各零部件布置已確定，無法更改驅(qū)動軸的布置角度，所以對于該SUV無法通過改變驅(qū)動軸布置角度來解決此問題。

3 方案制定及確定

3.1 方案制定

由于無法從根源上徹底解決該問題，只能采取其它措施。通過對市場上的車輛進行調(diào)查，目前應用于驅(qū)動軸上的NVH性能較好的伸縮性萬向節(jié)有AAR型、DOJ型等。進一步對該SUV的萬向節(jié)進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙差異較大（0.09～0.19 mm之間）。陸旻等[11]和陳翔等[12]都講述了三球銷式等速萬向節(jié)回轉(zhuǎn)間隙對驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)的影響。該驅(qū)動軸萬向節(jié)內(nèi)潤滑脂（原狀態(tài)為G2潤滑脂）潤滑效果不好，如圖8所示。

圖8 內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙檢查

依據(jù)目前的現(xiàn)狀及查找的原因，制定以下9種可實施性較強的工程方案并制作快件，見表3。

表3 具體方案

3.2 方案驗證及確定

將按照以上9種方案制作合格的快件分別安裝在車輛上，在相同工況下對駕駛員座椅導軌振動進行測試并主觀評價，并依據(jù)相同的評分標準進行評分，結(jié)果見表4。

表4 方案評分結(jié)果

由表4對比分析可知：座椅導軌的階次振動隨內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙增大而增大，換用性能較好的潤滑脂也能降低座椅導軌的振動。考慮到該SUV的市場定位，除方案二、三、四，其它各方案主觀評價得分已達到6.5分以上，均可滿足該SUV的定位要求，達到上市標準。但現(xiàn)狀是：

（1）方案一更換為AAR節(jié)型的萬向節(jié)需要增加成本50元/臺，并需要40～50天的開發(fā)周期，增加成本較多且影響車輛的上市，該方案直接被淘汰。

（2）驅(qū)動軸供應商目前若要達到配合間隙在0.06 mm以下的要求，其生產(chǎn)合格率僅為60%，影響其成本。供應商根據(jù)目前的產(chǎn)品價位，只能控制配合間隙在0.1 mm以下，且不增加成本。

（3）由G2潤滑脂更換為GRBN-1000潤滑脂增加成本16元，可以立即切換。

綜合以上各因素，最終確定的方案為：內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙控制在0.1 mm以下，且更換為GRBN-1000潤滑脂。確定方案后，進行50臺小批量裝車驗證，均未發(fā)現(xiàn)明顯橫擺現(xiàn)象。隨機抽取一臺樣車對駕駛員座椅導軌進行相同工況的測試，并將測試結(jié)果與原狀態(tài)樣車測試結(jié)果進行對比，如圖9所示，結(jié)果顯示整改后的樣車已達到標桿車水平。目前已按該技術(shù)要求進行量產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）運用頻譜分析、階次切片分析、對比分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn)引起該SUV低速橫擺的根本原因是驅(qū)動軸設計角度過大，低速發(fā)動機轉(zhuǎn)矩大時驅(qū)動軸軸向派生力大。

（2）研究表明，在前期驅(qū)動軸設計角度過大時，可以采用控制內(nèi)球籠滑道與三球銷配合間隙、換用較好的潤滑脂等低成本、不影響開發(fā)周期的措施進行補救。

（3）通過以上經(jīng)驗，后期在新車型開發(fā)時，在設計初期就要考慮到驅(qū)動軸的設計角度對車輛低速橫擺的影響，或選擇NVH性能好的萬向節(jié)節(jié)型。

（4）驅(qū)動軸總成移動端、固定端球籠是黑匣子件，主機廠在前期設計階段可能只對其外廓尺寸及防塵罩最大邊界尺寸做要求。后期可以要求廠家在此基礎上提供萬向節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖紙和潤滑脂型號等項目。

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