等速驅(qū)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(chǎn)生的整車振動問題，運(yùn)用噪聲階次和振動分析，確定為驅(qū)動軸三階振動，產(chǎn)生原因為全油門加速時，驅(qū)動扭矩增大產(chǎn)生的軸向派生力（GAF），使整車產(chǎn)生Y向振動，即橫擺振動。根據(jù)驅(qū)動軸軸向派生力的影響因素，通過采用無震顫式萬向節(jié)（AAR），降低軸向派生力，解決整車橫擺振動。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動軸;振動;橫擺;軸向派生力

中圖分類號：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)電動車型，在40km/h-60km/h加速時，整車Y向橫擺嚴(yán)重，主觀評價無法接受，而相同型號燃油車型，未發(fā)現(xiàn)有此問題。電動汽車與燃油汽車相比，動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)存在較大差異，即電機(jī)代替了發(fā)動機(jī)，減速器代替了變速箱，取消了離合器，如此，電機(jī)的動力直接通過減速器傳遞給驅(qū)動軸。因此，懷疑驅(qū)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(dǎo)軌振動，Y向振動較劇烈，階次分析為0.33階振動，即驅(qū)動軸三階振動。Y向振動檢測數(shù)據(jù)如下圖1所示：

圖1 ?座椅導(dǎo)軌振動colormap圖

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

1 原因分析

在某一角度下，驅(qū)動軸移動節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況如下圖所示：

圖2 ?三樞軸與三柱槽殼運(yùn)轉(zhuǎn)情況

一般芯軸軸線與三柱槽殼夾角范圍為23°之內(nèi)，此時，芯軸軸線與三柱槽殼軸線夾角為8.5°，屬于常規(guī)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(diǎn)軸向位置不同，OA靠最內(nèi)側(cè)，OC靠最外側(cè)，OB在中間位置，當(dāng)驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)一周時，OA點(diǎn)經(jīng)過OB、OC、回到OA位置，同樣，另外兩個球心點(diǎn)也經(jīng)過了其他兩個位置回到原點(diǎn)。如此三個點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的振動，即形成了三階振動。

根據(jù)庫倫摩擦理論可知，摩擦力與壓力有關(guān)，與接觸面積無關(guān)，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(shù)，P為壓力。壓力越大，摩擦力越大，即動力扭矩越大，產(chǎn)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(xiàn)2和文獻(xiàn)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(zhuǎn)速有關(guān)。通過臺架測試分析結(jié)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(zhuǎn)速與軸向派生力呈遞增關(guān)系，潤滑脂的摩擦系數(shù)越小，三階軸向派生力則越小。關(guān)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(jī)限扭，但會導(dǎo)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(jié)布置角度為5.6°，若調(diào)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(jié)（AAR節(jié)）來弱化布置角度的影響，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖6 ?AAR節(jié)外形圖

這種萬向節(jié)是在傳統(tǒng)的三銷式萬向節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，球環(huán)和三樞軸在現(xiàn)有的自由度基礎(chǔ)上，增加了兩個轉(zhuǎn)動自由度，使得其靈活度大大增加。這種結(jié)構(gòu)可以顯著地降低傳動軸運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)的三銷式萬向節(jié)提高了最大運(yùn)行角度，最大角度能力能達(dá)到26°。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)三銷節(jié)最大的差異是當(dāng)軸桿與三柱槽殼呈一定角度時，球環(huán)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(jié)之前，先在臺架上進(jìn)行摸底驗證，與傳統(tǒng)的三銷式萬向節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。將驅(qū)動軸固定在臺架上，初始狀態(tài)固定節(jié)和移動節(jié)的角度均為0°，對軸節(jié)進(jìn)行15分鐘預(yù)熱，加載扭矩300N·m，轉(zhuǎn)速200r/min，角度從0°掃描至15°，循環(huán)4次，使移動節(jié)內(nèi)的潤滑脂均勻分布。然后加載扭矩至600N·m，轉(zhuǎn)速200r/min，移動節(jié)角度從0°變化到16°，間隔2°，每個角度運(yùn)行時間為90秒，記錄各角度下的三階軸向派生力測試結(jié)果，繪制軸向派生力與夾角關(guān)系曲線圖，將原移動節(jié)與AAR節(jié)顯示在同一曲線圖內(nèi)，結(jié)果如下圖所示：

圖7 ?軸向派生力對比

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

圖8 ?更換后座椅導(dǎo)軌振動colormap圖

通過采集數(shù)據(jù)對比，AAR節(jié)的振動優(yōu)于原移動節(jié)，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(jié)

影響驅(qū)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(zhuǎn)速有關(guān)，設(shè)計初期可通過控制布置角度，選取摩擦系數(shù)小的潤滑脂型號來主動降低軸向派生力，但是當(dāng)設(shè)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(tài)，本文通過更換采用AAR節(jié)，實現(xiàn)了整車NVH目標(biāo)的達(dá)成，對產(chǎn)品開發(fā)和問題處理都具有實際的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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