某純電動SUV急加速工況整車抖動問題分析與優化

白楊翼，武俊杰，辛萬濤

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著傳統燃油汽車數量的不斷增長，帶來的不僅是國家生產方式的變革以及人們生活方式的改變，更是日益嚴重的能源緊缺與環境污染問題。汽車能源與環境問題是當今全人類面臨的一大挑戰，純電動汽車應運而生。隨著純電動車的發展與普及，人們不再僅僅關注電動汽車的續航里程以及其能源的清潔性，而是越來越多地關注電動汽車的乘坐舒適性。而電動汽車振動噪聲性能則直接影響駕駛者與乘坐者對車輛舒適性的感受與評價。汽車的振動噪聲性能(NVH)指的是車輛的噪聲(Noise)、振動(Vibration)以及聲振粗糙度(Harshness)的綜合表現。

本文作者針對某純電動SUV在急加速至50～70 km/h時整車抖動問題進行分析，確認問題原因及整改方向，最后通過最低成本方案解決整車抖動問題。

1 問題原因及機制分析

1.1 問題特征分析

某前置前驅純電動SUV車型在急加速至50～70 km/h時，整車存在明顯的橫向抖動現象，并且車輛空載時比滿載時更嚴重。利用NVH測試專用軟件LMS Test. Lab 16A來測量車內的振動信號，同時在座椅導軌位置布置振動加速度傳感器進行監測。通過軟件將時域信號throughput進行FFT(快速傅里葉變換)轉換為頻域信號進行分析。車內座椅導軌振動頻率隨電機轉速變化Colormap彩圖分析結果如圖1所示。

數據結果表明，在電機轉速3 000～4 500 r/min(對應車速50～70 km/h)下，整車抖動問題特征主要為0.36階次振動引起，同時對座椅導軌振動數據進行0.36階次切片提取，得到座椅導軌階次振動曲線，如圖2所示，在3 000～4 500 r/min轉速下有明顯峰值。

1.2 產生機制分析

由上述數據分此推斷，該問題主要與旋轉部件相關，進一步分析可知輸出軸旋轉1階：電機階次/減速器速比=1/8.28=0.12階，0.36階則為0.12階的3倍頻次，驅動軸三球銷式萬向節(移動節)由于存在3個球環的結構而具有三階特性，因此鎖定振動激勵源為驅動軸移動節。與驅動半軸三銷式球籠相關，驅動半軸移動端球籠如圖3所示。

圖3 驅動半軸移動端球籠結構

純電動車急加速工況，由于電驅總成質量小、扭矩大、驅動軸夾角變化相對傳統車更明顯，傳動軸夾角如圖4所示。普通的GI節驅動半軸隨夾角的增大，軸向派生力(GAF)也逐漸增大。而軸向派生力由三銷節總成相對于外殼球銷的摩擦力產生的內部力引起，其大小取決于移動節的角度和扭矩，關系如圖5所示，相同扭矩下，隨著傳動軸夾角增加軸向派生力增大。因此，由于空載狀態夾角相對滿載狀態半軸夾角大，整車橫擺抖動更明顯。

圖4 傳遞軸夾角示意

圖5 GI節軸向力大小與夾角、扭矩的關系

1.3 傳遞路徑分析

根據初步分析的結果，進一步從傳遞路徑進行分析，主要傳遞分析路徑如圖6所示，根據主要傳遞路徑，監測的相關振動點：左右傳動半軸軸頭端，3個懸置系統車身側，減振器車身側，座椅導軌側。通過數據對比分析，各個傳遞路徑貢獻基本相當，無明顯存在共振放大的路徑，同時考慮到驅動半軸與其他部件干涉等問題，整車半軸角度無法更改，因此該問題需要從激勵源上進行優化。

圖6 主要傳遞路徑分析

2 方案優化效果

2.1 優化方案說明

為了減小軸向力，將驅動半軸球籠結構由原來的GI節切換為ARR節，將滑動摩擦點接觸轉化為面接觸的滾動摩擦，減小分力。驅動軸移動節的種類較多，其中比較典型的有兩種：三銷節(GI型)和高效節(AAR型)。ARR節型其主要差異是相對GI節型多了一組軸承內圈，軸承內圈可以繞三銷架球形頭部自由回轉，當萬向節帶角度運轉時，AAR節型相對GI節型多一個回轉自由度，回轉更靈活，滑移阻力更小。內部結構對比圖如圖7、圖8所示。兩種節型的軸向派生力隨角度變化關系對比如圖9所示，可以看出，ARR節型受角度變化影響較小。

圖7 GI節結構剖面圖

圖8 ARR節結構剖面圖

圖9 GI節與AAR節軸向力與工作角度關系對比

2.2 優化效果驗證

通過更換ARR節型結構的驅動半軸后，對比分析可知，某純電動車在急加速工況下，座椅導軌0.36階振動明顯的降低，主觀無明顯振動，該電動車抖動問題已解決。對比結果如圖10所示。

圖10 更換ARR節型前后座椅導軌0.36階振動對比

2.3 降本方案驗證

考慮到同時更換ARR高性能長短半軸，對單車成本增加較多，因此做如下3種方案對比：(1)長短半軸均更換ARR節；(2)僅短半軸更換ARR節；(3)僅長半軸更換ARR節。通過試驗驗證，方案2只有短半軸更換ARR節效果優化效果明顯，與長短半軸同時更換主觀優化效果相當，如圖11、圖12所示。同樣也驗證了短半軸在急加速工況下夾角更大，軸向力更大，為主要的貢獻源。并且通過半軸其他性能確認，無其他性能的負面影響，該降本方案可行。

圖11 不同方案ARR節半軸優化效果對比map圖

圖12 不同方案ARR節半軸優化效果0.36階振動對比

3 結論

文中主要針對某純電動SUV急加速50 km/h以上整車橫向抖動問題進行了路徑分析和原因排查，確認主要是由于原GI節機構驅動半軸，滑動摩擦力較大引起軸向力較大，導致整車抖動。通過更換ARR高效節驅動半軸解決該抖動問題。為了進一步降低開發成本，尋求降本方案，對新舊驅動半軸不同組合方案的對比，最終得出單獨更換短半軸優化效果與全不更換長短半軸相當，主觀無明顯抖動現象同時不影響其他性能，該降本方案可行。