等速驅動軸橫擺振動的研究及解決

朱釗，黃巨成，張海源，滕杰

摘 要：針對某電動汽車在40km/h到60km/h速度下，全油門加速產生的整車振動問題，運用噪聲階次和振動分析，確定為驅動軸三階振動，產生原因為全油門加速時，驅動扭矩增大產生的軸向派生力（GAF），使整車產生Y向振動，即橫擺振動。根據驅動軸軸向派生力的影響因素，通過采用無震顫式萬向節（AAR），降低軸向派生力，解決整車橫擺振動。

關鍵詞：驅動軸;振動;橫擺;軸向派生力

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-127-03

Research And Solution Of Swing Vibration Of Drive Shaft

Zhu Zhao， Huang Ju Cheng， Zhang Haiyuan， Teng Jie

（ Chery Commercial Vehicle （ Anhui ） Co.， Ltd.， Engineerring Research Institute Chassis， Anhui Wuhu 241006 ）

Abstract： Aiming at the vibration problem of a electric vehicle caused by acceleration offull throttle at speeds ranging from 40 km/h to 60 km/h， the third-order vibration of driving shaft is determined by noise order and vibration analysis. The reason is that when acceleration of fullthrottle， increased driving torque has generated axial force（GAF）， which makes the whole vehicle produce Y-direction vibration， i.e. yaw. Vibration. According to the influencing factors of the generated axial force of the drive axle， the generated axial force is reduced and the yaw vibration of the vehicle is solved by using the non-vibration universal joint.

Keywords： Drive shaft; Vibration; Yaw; Generated axial force

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-127-03

前言

某前驅電動車型，在40km/h-60km/h加速時，整車Y向橫擺嚴重，主觀評價無法接受，而相同型號燃油車型，未發現有此問題。電動汽車與燃油汽車相比，動力系統和傳動系統存在較大差異，即電機代替了發動機，減速器代替了變速箱，取消了離合器，如此，電機的動力直接通過減速器傳遞給驅動軸。因此，懷疑驅動軸突變的力矩波動會加大橫擺振動的影響。

通過檢測座椅導軌振動，Y向振動較劇烈，階次分析為0.33階振動，即驅動軸三階振動。Y向振動檢測數據如下圖1所示：

圖1 ?座椅導軌振動colormap圖

驅動軸的三階振動，通過文獻1的描述，是由移動節三樞軸與三柱槽殼之間的摩擦力導致的，因此，解決整車橫擺振動問題，可以先從驅動軸優化開始。

1 原因分析

在某一角度下，驅動軸移動節的運轉情況如下圖所示：

圖2 ?三樞軸與三柱槽殼運轉情況

一般芯軸軸線與三柱槽殼夾角范圍為23°之內，此時，芯軸軸線與三柱槽殼軸線夾角為8.5°，屬于常規工作角度。三樞軸上每個軸承圈球心用OA、OB、OC來表示，由圖可已看出，三個點軸向位置不同，OA靠最內側，OC靠最外側，OB在中間位置，當驅動軸旋轉一周時，OA點經過OB、OC、回到OA位置，同樣，另外兩個球心點也經過了其他兩個位置回到原點。如此三個點在旋轉一周時，都會與三柱槽殼存在滾動摩擦和滑動摩擦，這種摩擦力，我們一般稱作軸向派生力。有摩擦就會有振動，由此摩擦產生的振動，即形成了三階振動。

根據庫倫摩擦理論可知，摩擦力與壓力有關，與接觸面積無關，因此，摩擦力公式可表示為：

F=μ*P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：F為摩擦力，μ為摩擦系數，P為壓力。壓力越大，摩擦力越大，即動力扭矩越大，產生的軸向派生力和振動就越大。

2 三階振動的影響因素

文獻2和文獻3描述了三階軸向派生力與三柱槽殼的外徑、傳遞扭矩、布置角度、潤滑脂型號和轉速有關。通過臺架測試分析結果顯示，三柱槽殼半徑越大，三階軸向派生力越小，扭矩、角度和轉速與軸向派生力呈遞增關系，潤滑脂的摩擦系數越小，三階軸向派生力則越小。關系圖如圖3所示。

圖3 ?三柱槽殼外徑的影響

圖4 ?傳遞扭矩的影響

圖5 ?布置角度的影響

由圖可知，三階軸向派生力受布置角度和傳遞扭矩影響較大，呈線性分布，因此，減小布置角度和降低傳遞扭矩是降低三階軸向派生力的重要手段。降低傳遞扭矩即將電機限扭，但會導致整車動力性減弱，影響整車性能，無法實施，只能通過減小布置角度來解決。該車左右移動節布置角度為5.6°，若調整布置角度，則對動力總成位置改動較大，無法快速實施。因此，采用一種適用角度更大的無震顫式萬向節（AAR節）來弱化布置角度的影響，結構如下圖所示：

圖6 ?AAR節外形圖

這種萬向節是在傳統的三銷式萬向節的基礎上進行結構優化，球環和三樞軸在現有的自由度基礎上，增加了兩個轉動自由度，使得其靈活度大大增加。這種結構可以顯著地降低傳動軸運轉過程中的噪音、振動和不平順性，能夠改善整車NVH性能;另一方面相比傳統的三銷式萬向節提高了最大運行角度，最大角度能力能達到26°。該結構與傳統三銷節最大的差異是當軸桿與三柱槽殼呈一定角度時，球環可與三柱槽殼的角度保持不變，因此，弱化了布置角度對三階軸向派生力的影響，使其具有良好的NVH效果。

3 實車驗證

在實車更換AAR節之前，先在臺架上進行摸底驗證，與傳統的三銷式萬向節進行數據對比。將驅動軸固定在臺架上，初始狀態固定節和移動節的角度均為0°，對軸節進行15分鐘預熱，加載扭矩300N·m，轉速200r/min，角度從0°掃描至15°，循環4次，使移動節內的潤滑脂均勻分布。然后加載扭矩至600N·m，轉速200r/min，移動節角度從0°變化到16°，間隔2°，每個角度運行時間為90秒，記錄各角度下的三階軸向派生力測試結果，繪制軸向派生力與夾角關系曲線圖，將原移動節與AAR節顯示在同一曲線圖內，結果如下圖所示：

圖7 ?軸向派生力對比

由圖可知，AAR節三階軸向派生力隨角度的增加，變化不大，相比TJ節較小，理論上會取得很好的減振效果。將原車左右驅動軸移動節更換為AAR節裝車驗證，采集座椅導軌振動，Y向振動階次如下圖所示：

圖8 ?更換后座椅導軌振動colormap圖

通過采集數據對比，AAR節的振動優于原移動節，0.33階的振動明顯消除，主觀評價可以接受，整車橫擺振動問題得到解決。

4 總結

影響驅動軸軸向派生力的因素有三柱槽殼的外徑、傳遞扭矩、布置角度、潤滑脂型號和轉速有關，設計初期可通過控制布置角度，選取摩擦系數小的潤滑脂型號來主動降低軸向派生力，但是當設計定型以后，實車驗證階段再降低軸向派生力就會處于被動狀態，本文通過更換采用AAR節，實現了整車NVH目標的達成，對產品開發和問題處理都具有實際的指導意義。

參考文獻

[1] 鄭嬌嬌，郭常寧等，三球銷式等速萬向節受力及仿真分析[J]，機械強度，2015，37（1）：114-121.

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