驅(qū)動軸夾角與整車橫擺試驗研究

周宗琳，田子龍，任 超

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

乘用車加速抖動問題已成為客戶抱怨的焦點之一，解決抖動問題，很多車企都優(yōu)先進行模態(tài)匹配及隔振控制，由于裝配、制造精度引起的驅(qū)動軸夾角偏大而導(dǎo)致的整車抖動問題往往被忽視。Young-Hun等人通過多體動力學(xué)方法，建立了驅(qū)動軸總成的仿真模型，對比了不同三球銷式萬向節(jié)的軸向力，發(fā)現(xiàn)VTJ-BJ型驅(qū)動軸總成具有較小的軸向力，可以減小汽車行駛中的振動[1]。

Chul-Lee等通過實驗方法證明三球銷式萬向節(jié)球環(huán)與滑槽間的動摩擦系數(shù)與三球銷的軸向力直接相關(guān)，且軸向力與摩擦系數(shù)呈正線性關(guān)系[2]。上海交通大學(xué)郭常寧通過仿真分析得出，在萬向節(jié)轉(zhuǎn)動的過程中，三球銷式萬向節(jié)的三銷架中心既圍繞三柱槽殼軸線與三銷架運動平面的交點作圓周公轉(zhuǎn)運動，又繞自身作自轉(zhuǎn)運動，公轉(zhuǎn)的角速度是自轉(zhuǎn)角速度的3倍。并得出總的軸向力在萬向節(jié)轉(zhuǎn)動一周的過程中周期性變化3 次。同時，對三球銷式萬向節(jié)進行振動性能分析，發(fā)現(xiàn)三銷架在軸向的角速度和角加速度波動較大[3]。羅軼超分析出優(yōu)化前置后驅(qū)車的萬向節(jié)夾角可以抑制車輛低頻抖動[4]。但大多數(shù)文獻開展的都是純理論研究，綜合考量驅(qū)動軸夾角、驅(qū)動軸的軸向派生力和整車抖動三者之間的關(guān)系，并總結(jié)整車振動客觀指標與橫擺問題主觀評價之間的關(guān)系，卻很少見。

單滾環(huán)三球銷萬向節(jié)主要由三柱槽殼、三銷架、滾針、球環(huán)、驅(qū)動軸等組成。驅(qū)動軸通過花鍵與三銷架相連,三銷架上有3 個銷軸均勻分布在同一平面上，球環(huán)通過滾針軸承與3個銷軸相連,球環(huán)相對于銷軸可以移動。三柱槽殼內(nèi)側(cè)有按軸線方向排列的溝道,3個球環(huán)分別嵌入3條溝道中。三球銷式等速萬向節(jié)工作(轉(zhuǎn)動)時，三柱槽殼(主動軸)通過球環(huán)帶動三銷架(驅(qū)動軸)轉(zhuǎn)動[5]。由于汽車總布置的限制，驅(qū)動軸兩端（差減花鍵中心和輪胎胎心）通常不在一條直線上，三柱槽殼與驅(qū)動軸軸桿中心軸線之間通常有一個夾角，如圖1所示，該夾角在空間的最大值即驅(qū)動軸夾角δ。

圖1 三球銷式驅(qū)動軸

三球銷式等速萬向節(jié)是各大主機廠常用的移動節(jié)，三柱槽殼轉(zhuǎn)一圈，球環(huán)在滑槽軌道內(nèi)滑進和滑出完成一個周期的運動，其滑移過程中將產(chǎn)生摩擦力，3個球環(huán)所受摩擦力在滑槽軸向的合力大小等于驅(qū)動軸軸向力。通過受力分析[6]，得出3個球環(huán)各自的軸向力及總軸向力隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 軸向力隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

固定驅(qū)動軸夾角時，在一個周期360°內(nèi)，總的軸向力周期性變化3 次，達到3 次最大值，其變化周期為120°，這與3個球環(huán)120°均布在三銷架上相吻合，即總的軸向力呈3 階變化，驅(qū)動軸3 階激勵為最主要激勵源。

通過對4家國內(nèi)外主流供應(yīng)商的單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸在不同驅(qū)動軸夾角下所受3階軸向派生力的臺架試驗和采用不同驅(qū)動軸夾角搭載同一整車進行NVH 測試，得出了驅(qū)動軸夾角、軸向派生力對整車加速座椅導(dǎo)軌振動的影響規(guī)律。通過測試20款不同前置前驅(qū)四缸機汽油車的座椅導(dǎo)軌振動，總結(jié)出座椅導(dǎo)軌客觀振動量與整車橫擺主觀評分間的關(guān)系。

1 軸向派生力臺架試驗

臺架試驗在NVH試驗臺上進行，臺架一端是可以控制扭矩、轉(zhuǎn)速等輸入?yún)?shù)的電機；另一端有壓電式力傳感器測試其軸向派生力。試驗中，僅改變更容易偏大的左驅(qū)動軸夾角進行臺架及整車試驗。測試前預(yù)熱軸節(jié)15 min，預(yù)熱扭矩為300 Nm，驅(qū)動軸夾角為0～15°，轉(zhuǎn)速為200 r/min；正式運轉(zhuǎn)時，扭矩為600 Nm，驅(qū)動軸夾角為0°、2°、4°、6°、8°，轉(zhuǎn)速為200 r/min。改變左驅(qū)動軸夾角，換4 家供應(yīng)商的單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸分別進行軸向派生力3階成分測試，每家供應(yīng)商的驅(qū)動軸均隨機挑選3根。軸向派生力3階成分測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同驅(qū)動軸夾角下3階軸向派生力

單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸軸向派生力與驅(qū)動軸夾角呈正線性關(guān)系，夾角越大，3階軸向派生力越大。驅(qū)動軸夾角小于4°時，驅(qū)動軸軸向派生力3 階成分小于50 N。

2 不同驅(qū)動軸夾角整車NVH試驗

2.1 橫擺明顯車輛NVH測試

在1.5 T 四缸機搭載6 AT 手自一體變速器的前置前驅(qū)汽油車上進行試驗研究，在整車噪聲振動試驗前，將被測車輛置于平板舉升機上，用便攜式關(guān)節(jié)臂測量機生成三柱槽殼和驅(qū)動軸軸桿兩個柱體，并計算二者中心軸線在空間的最大夾角，即為整車狀態(tài)下的驅(qū)動軸夾角。

僅乘坐一名70 kg駕駛員時，左右驅(qū)動軸夾角分別為5.8°和4.0°，在大油門加速時，整車橫擺明顯，主觀評價不能接受，在車速為35 km/h、75 km/h、95 km/h時左右橫擺現(xiàn)象最明顯，主觀評價為5分，評分標準見表1。

表1 主觀評價評分標準表

該車采用單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸，對整車狀態(tài)下3擋全油門加速工況時座椅導(dǎo)軌振動進行測試。加速度傳感器采用B＆K4524B，頻率范圍為0.2 Hz～3.2 kHz。測試時，頻率分辨率設(shè)置為1 Hz，帶寬設(shè)置為200 Hz，布置位置如圖4所示，加速度方向為：汽車長度方向為X，寬度方向為Y，高度方向為Z。采用LMS.Test Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行本次測試。

圖4 加速度傳感器座椅導(dǎo)軌布置圖

在光滑路面上，M模式3擋全油門加速，車速為30 km/h～100 km/h，采集座椅導(dǎo)軌振動信號和車速信號，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分析出對應(yīng)座椅導(dǎo)軌Y向振動的Colormap圖，如圖5所示。

圖5 座椅導(dǎo)軌Y向振動Colormap圖

該車輛的輪胎參數(shù)為215/55 R18，車速為30 km/h～100 km/h 時，驅(qū)動軸3 階對應(yīng)的頻率為11.5 Hz～38.3 Hz，在圖5對應(yīng)頻率處有明顯的驅(qū)動軸3階階次振動信號。將驅(qū)動軸3 階振動信號切片，切片階次帶寬0.5 order，如圖6所示。

圖6 座椅導(dǎo)軌Y向驅(qū)動軸3階振動切片

在35 km/h、75 km/h、95 km/h 處，驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值均達到0.23 m/s2以上，振動較大，與主觀評價結(jié)果吻合。

驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值在0.23 m/s2以下的55 km/h、80 km/h 處，整車橫擺輕微，主觀評價該車速無明顯橫擺。

2.2 無橫擺車輛NVH測試

在另一臺1.5 T 四缸機搭載6 AT 手自一體變速器的前置前驅(qū)汽油車上進行試驗研究，該車在大油門加速時，均無橫擺現(xiàn)象，主觀評價為7分。該車同樣采用單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸，僅乘坐一名駕駛員時，左右驅(qū)動軸夾角分別為3.2°和2.3°，對整車狀態(tài)下3擋全油門加速工況時座椅導(dǎo)軌振動進行測試。測試方法與橫擺明顯車輛一致。得到座椅導(dǎo)軌Y向振動Colormap 圖和對應(yīng)的驅(qū)動軸3 階振動切片，如圖7、圖8所示。

圖7 座椅導(dǎo)軌Y向振動Colormap圖

驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值均在0.15 m/s2以下，振動較小，與主觀評價結(jié)果吻合。

測試其他20 臺不同排量的前置前驅(qū)四缸機汽油車搭載不同變速器發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌階次切片的Y向振動幅值與橫擺現(xiàn)象主觀評價結(jié)果一致，可作為評判整車橫擺明顯與否的標準。

圖8 座椅導(dǎo)軌Y向驅(qū)動軸3階振動切片

2.3 不同夾角工況下車輛NVH測試

在整車狀態(tài)下，4家供應(yīng)商的右驅(qū)動軸夾角保持4.0°不變，通過調(diào)節(jié)懸架剛度等參數(shù)控制不同左前驅(qū)動軸夾角，并實測出僅乘坐一名駕駛員時的夾角，然后在整車狀態(tài)下，測試出不同驅(qū)動軸夾角工況下4家供應(yīng)商的驅(qū)動軸對應(yīng)的驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值，每種狀態(tài)測試3組數(shù)據(jù)，取平均值，如圖9所示。

圖9 不同驅(qū)動軸夾角工況下驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值

驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動與驅(qū)動軸夾角呈正線性關(guān)系，驅(qū)動軸夾角越大，Y向振動越大，當驅(qū)動軸夾角大于4.5 度時，驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動大于0.15 m/s2，整車表現(xiàn)出橫擺。驅(qū)動軸3階振動的頻率范圍在5 Hz～50 Hz，人體器官的固有頻率也在該頻段內(nèi)（頭部為8 Hz～12 Hz，肢體為10 Hz～12 Hz），所以人體對該頻率段的振動較敏感，且為Y向振動，當該階次振動過大時，車內(nèi)乘員將感知明顯的整車橫向擺動，在平直光滑路面上駕駛出現(xiàn)該現(xiàn)象時，極易引起乘員抱怨。結(jié)合其他前置前驅(qū)四缸機汽油車輛的驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌振動幅值和主觀評價表現(xiàn)，總結(jié)出兩者之間的關(guān)聯(lián)，如表2所示。

表2 驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值與橫擺

3 結(jié)語

（1）單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸的軸向派生力與驅(qū)動軸夾角呈正線性關(guān)系，夾角越大，軸向派生力越大。驅(qū)動軸夾角小于4度時，驅(qū)動軸軸向派生力3階成分小于50 N。軸向派生力3階成分的大小是驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌Y向振動產(chǎn)生的主要原因。

（2）驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動與驅(qū)動軸夾角成正線性關(guān)系，驅(qū)動軸夾角越大，Y向振動越大，當驅(qū)動軸夾角大到一定程度時，四缸機汽油車驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌Y向振動大于0.23 m/s2，整車表現(xiàn)出較明顯的橫擺。當驅(qū)動軸夾角較小時，驅(qū)動軸3 階座椅導(dǎo)軌Y向振動幅值小于0.16 m/s2，整車表現(xiàn)較好，無橫擺。

（3）單滾環(huán)結(jié)構(gòu)三球銷式驅(qū)動軸的軸向派生力、驅(qū)動軸3階座椅導(dǎo)軌Y向振動均與驅(qū)動軸夾角呈正線性關(guān)系，汽車設(shè)計前期，應(yīng)控制驅(qū)動軸夾角。當整車表現(xiàn)出橫擺現(xiàn)象時，可以通過減小驅(qū)動軸夾角進行改善。