關(guān)于驅(qū)動(dòng)軸引起的汽車橫向振動(dòng)探析

石宇鵬，張全逾，陽(yáng)郴郴

(1.漢騰汽車有限公司，江西上饒 334000；2.承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

0 引言

驅(qū)動(dòng)軸是汽車動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，同時(shí)在汽車行駛過(guò)程中也會(huì)引發(fā)很多NVH問(wèn)題，如驅(qū)動(dòng)軸彎曲共振引起的轟鳴、驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)共振引起的轟鳴、驅(qū)動(dòng)軸彎曲共振引起的變速器和主減速器哨音、驅(qū)動(dòng)軸異響等[1]，而針對(duì)驅(qū)動(dòng)軸引起的汽車橫向振動(dòng)現(xiàn)象的深入研究較少，故本文作者基于某款SUV車型的橫向振動(dòng)現(xiàn)象，開(kāi)展橫向振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制、評(píng)價(jià)方法、影響因素、優(yōu)化措施等幾個(gè)方面的研究，有效控制該車型橫向振動(dòng)，并為相關(guān)問(wèn)題的探索和控制提供借鑒。

1 問(wèn)題現(xiàn)象描述

文中涉及的某款SUV前置前驅(qū)車型采用TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)、BJ型球籠式萬(wàn)向節(jié)的組合驅(qū)動(dòng)軸[2]，如圖1、圖2所示。該車輛在光滑水平瀝青路面上，采用2擋全加速(WOT)行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500～3 000 r/min、車速30～50 km/h橫向振動(dòng)嚴(yán)重，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min、車速75 km/h附近也存在橫向振動(dòng)，顧客感知明顯。

圖1 整車驅(qū)動(dòng)軸示意

圖2 驅(qū)動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 橫向振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制分析

根據(jù)NVH性能開(kāi)發(fā)模型“激勵(lì)源→傳遞路徑→響應(yīng)”，從激勵(lì)源和傳遞路徑兩部分開(kāi)展分析，而響應(yīng)部分涉及人體感知，文中不開(kāi)展敘述。

基于客觀測(cè)試數(shù)據(jù)開(kāi)展深入分析，以進(jìn)一步獲取問(wèn)題發(fā)生的更多信息。針對(duì)2WOT座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)(跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)開(kāi)展階次分析，如圖3所示，其中0.34階為主要貢獻(xiàn)能量。通過(guò)提取0.34階的階次切片(帶寬0.25)，如圖4所示，其振動(dòng)峰值超過(guò)目標(biāo)值0.25 m/s(來(lái)源于數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)標(biāo))，由此可見(jiàn)該SUV車型橫向振動(dòng)現(xiàn)象由0.34階次能量引起。

圖3 2WOT座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)(跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)

圖4 2WOT座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)0.34階(跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)

對(duì)比分析2WOT和3WOT駕駛員座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，如圖5所示，可見(jiàn)在不同擋位橫向振動(dòng)能量貢獻(xiàn)階次不同，故可知0.34階與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是強(qiáng)相關(guān)，應(yīng)該與發(fā)動(dòng)機(jī)相聯(lián)旋轉(zhuǎn)部件有關(guān)。對(duì)比分析2WOT和3WOT駕駛員座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(跟蹤驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速)，如圖6所示，可見(jiàn)不同擋位橫向振動(dòng)能量貢獻(xiàn)階次相同(均為3階)，故可知0.34階與驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)相關(guān)，且與驅(qū)動(dòng)軸和輪胎旋轉(zhuǎn)3階激勵(lì)相關(guān)。

圖5 座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)(跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)

圖6 座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)(跟蹤驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速)

通過(guò)變速器和主減速器速比，根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)階次變換式(1)開(kāi)展相關(guān)計(jì)算得到2、3擋轉(zhuǎn)速階次分別為0.34和0.55，說(shuō)明跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的0.34階能量與跟蹤驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的3階能量等效，進(jìn)一步說(shuō)明該車型橫向振動(dòng)由驅(qū)動(dòng)軸和輪胎旋轉(zhuǎn)3階激勵(lì)引起。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，輪胎3階激勵(lì)一般很小，而驅(qū)動(dòng)軸極易引起3階激勵(lì)，對(duì)比驅(qū)動(dòng)軸兩端試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，可知驅(qū)動(dòng)軸滑移端能量明顯大于固定端能量，確定該車型橫向振動(dòng)由驅(qū)動(dòng)軸(三球銷式)激勵(lì)引起。

圖7 2WOT驅(qū)動(dòng)軸Y向振動(dòng)(跟蹤驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速)

m=3b/a

(1)

式中：m為跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速階次；a為變速器傳動(dòng)比；b為主減速器傳動(dòng)比。

從頻率角度分析2WOT駕駛員座椅導(dǎo)軌Y向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知橫向振動(dòng)頻率集中在5～15 Hz和20～30 Hz兩個(gè)頻率范圍內(nèi)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，5～15 Hz為動(dòng)力總成剛體模態(tài)(Y向)，20～30 Hz包括懸架模態(tài)(下偏頻Y向模態(tài))、車身模態(tài)、座椅模態(tài)，橫向振動(dòng)傳遞路徑可具體分析動(dòng)力總成、懸架、車身、座椅等。由于問(wèn)題主要集中在低頻模態(tài)，通過(guò)避頻和隔振等方式優(yōu)化傳遞路徑有限，故文中不開(kāi)展相關(guān)分析。

綜合上述激勵(lì)源和傳遞路徑分析，制定橫向振動(dòng)機(jī)制圖，如圖8所示。

圖8 橫向振動(dòng)機(jī)制

2.1 軸向循環(huán)力產(chǎn)生分析

TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)由主動(dòng)軸、三柱槽殼、球環(huán)、三銷架、滾針軸承、從動(dòng)軸等構(gòu)成，主動(dòng)軸通過(guò)球環(huán)、三柱槽殼、三銷架將扭矩近似等速地傳遞給從動(dòng)軸。受力分析(單個(gè)球環(huán)受力分解)如圖9所示，其中各個(gè)力的相互關(guān)系如式(2)所示，F(xiàn)1推動(dòng)三銷架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)2推動(dòng)球環(huán)進(jìn)行滾動(dòng)和滑動(dòng)。

圖9 單個(gè)球環(huán)受力分解示意

F0=F1/cosα1=F2/tanα1

(2)

式中：F0為主動(dòng)軸作用到球環(huán)的力(垂直于球環(huán)于滑槽的接觸面)；F1為三銷架旋轉(zhuǎn)力(平行于銷架平面)；F2為球環(huán)水平力(平行于三柱槽殼)；α1為三銷架中心平面與垂直平面的夾角。

球環(huán)在滾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，在滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，兩者共同作用使球環(huán)在滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)主動(dòng)軸的軸向力，如圖10所示。

圖10 單個(gè)球環(huán)軸向力合成示意

其中各個(gè)力的相互關(guān)系[3]為

T1=F滾1/cosα1=F滑1/tanα1

(3)

式中：T1為軸向力；F滾1為球環(huán)繞著銷軸的滾動(dòng)摩擦力；F滑1為球環(huán)沿著銷軸的滑動(dòng)摩擦力；α1為三銷架中心平面垂直與平面的夾角。

三球銷式萬(wàn)向節(jié)3個(gè)球環(huán)呈120°均勻分布，3個(gè)球環(huán)共同作用力如式(4)所示，合作用力即軸向循環(huán)力。當(dāng)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸不存在擺角時(shí)，軸向循環(huán)力為0。當(dāng)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸存在擺角時(shí)，同一時(shí)刻3個(gè)球環(huán)的受力是不同的，但轉(zhuǎn)動(dòng)一圈3個(gè)球環(huán)的受力完全相同(不考慮制造和裝配誤差)，只是相位偏差120°，與三球銷式萬(wàn)向節(jié)存在不等速(準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié))現(xiàn)象機(jī)制相同[4]，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中三銷架中心與三柱槽殼中心存在偏心，使得球環(huán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程不是理想簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致軸向循環(huán)力存在3階激勵(lì)現(xiàn)象，如圖11所示。同時(shí)，制造精度、裝配誤差、重力效應(yīng)等均會(huì)加劇3階激勵(lì)現(xiàn)象。

圖11 TJ型萬(wàn)向節(jié)軸向力變化規(guī)律

T=T1+T2+T3

(4)

DOJ型球籠式萬(wàn)向節(jié)(與BJ型結(jié)構(gòu)相同，可移動(dòng))由主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、星形套、保持架、鋼球等構(gòu)成，主動(dòng)軸通過(guò)星形套、保持架、鋼球等速地傳遞給從動(dòng)軸。其受力分解與三球銷式萬(wàn)向節(jié)相近，考慮球籠式萬(wàn)向節(jié)等速現(xiàn)象，使得鋼球旋轉(zhuǎn)過(guò)程為理想簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其軸向合力為0 N，不存在3階激勵(lì)，如圖12所示。當(dāng)然制造精度、裝配誤差、重力效應(yīng)等也會(huì)引起很小的3階激勵(lì)，對(duì)NVH性能無(wú)影響。

圖12 DOJ型萬(wàn)向節(jié)軸向力變化規(guī)律示意

3階軸向循環(huán)力由TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)引起，故下述的影響因素針對(duì)三球銷式萬(wàn)向節(jié)開(kāi)展闡述。

2.2 軸向循環(huán)力影響因素

(1)空間布置角度

驅(qū)動(dòng)軸空間布置角度指主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的空間夾角(三維)，該夾角越小則三銷架中心平面與垂直平面的夾角越小，由式(3)和式(4)可知軸向循環(huán)力越小，如果布置角度為0°，則軸向循環(huán)力接近或等于0 N(有其他因素影響)。通過(guò)對(duì)TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行臺(tái)架3階軸向循環(huán)力測(cè)試(基于平面夾角)，結(jié)果如圖13所示，由此可知布置角度越小，3階軸向循環(huán)力越小。驅(qū)動(dòng)軸空間布置角度主要從開(kāi)發(fā)預(yù)研階段總布置實(shí)現(xiàn)，后期也可通過(guò)調(diào)整動(dòng)力總成位置微調(diào)，但基本不可更改，通常驅(qū)動(dòng)軸空間布置角度控制在5°之內(nèi)(空載狀態(tài))[5]。

圖13 TJ萬(wàn)向節(jié)軸向力變化規(guī)律

(2)節(jié)型結(jié)構(gòu)

三球銷式萬(wàn)向節(jié)節(jié)型一般采用TJ和PTJ兩種結(jié)構(gòu)，如圖14所示，TJ為傳統(tǒng)三球銷式節(jié)型，其球環(huán)同時(shí)存在滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦，PTJ為球環(huán)改良三球銷式節(jié)型，其球環(huán)主要存在滾動(dòng)摩擦，不存在滑動(dòng)摩擦。由于滾動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦的摩擦力小，故PTJ比TJ節(jié)型的3階軸向循環(huán)力小。DOJ球籠式萬(wàn)向節(jié)3階軸向循環(huán)力如圖13所示，相比三球銷式萬(wàn)向節(jié)小很多。臺(tái)架狀態(tài)驅(qū)動(dòng)軸3階軸向循環(huán)力一般控制在50 N之內(nèi)。

圖14 TJ和PTJ球環(huán)結(jié)構(gòu)示意

針對(duì)TJ節(jié)型，控制驅(qū)動(dòng)軸空間布置角度對(duì)3階軸向循環(huán)力影響很大，而針對(duì)PTJ節(jié)型和DOJ節(jié)型，控制驅(qū)動(dòng)軸空間布置角度對(duì)3階軸向循環(huán)力影響較小，故空間布置角度需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)開(kāi)展。

(3)配合間隙

配合間隙指三球銷式萬(wàn)向節(jié)中滑槽、球環(huán)、銷軸的間隙，配合間隙過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致3階軸向循環(huán)力惡化，通常要求配合間隙小于0.08～0.1 mm[6]。

(4)潤(rùn)滑油脂

萬(wàn)向節(jié)內(nèi)填充的潤(rùn)滑油脂是碳?xì)浠衔锖透綄偬砑游锏木C合體，利用其復(fù)雜的物理綜合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能。潤(rùn)滑油脂品質(zhì)良好，可有效降低滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦力，從而降低3階軸向循環(huán)力[7]。

3 優(yōu)化驗(yàn)證

3.1 布置角度優(yōu)化

該車型空載工況驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)端布置角度7.2°、固定段布置角度6.9°，可通過(guò)調(diào)整動(dòng)力總成懸置剛度而優(yōu)化布置角度，但是改善空間有限，同時(shí)由于懸置剛度的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致其他NVH問(wèn)題惡化，故采用懸置剛度優(yōu)化方法不可行。

通過(guò)增加車載也可以改變驅(qū)動(dòng)軸布置角度，該方法僅可以驗(yàn)證布置角度對(duì)橫擺振動(dòng)的影響，不具備可執(zhí)行性。半載工況驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)端布置角度5.1°、固定端布置角度4.9°，滿載工況驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)端布置角度4.2°、固定端布置角度4.1°，經(jīng)主觀評(píng)價(jià)半載工況橫擺振動(dòng)有改善但仍有明顯感知，滿載工況橫擺振動(dòng)明顯改善。

在車型開(kāi)發(fā)后期布置角度基本無(wú)法優(yōu)化，必須在預(yù)研階段完成布置角度的設(shè)計(jì)。

3.2 萬(wàn)向節(jié)型優(yōu)化

該車型驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)端采用TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)，通過(guò)更換PTJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)和DOJ球籠式萬(wàn)向節(jié)，主觀評(píng)價(jià)橫擺振動(dòng)消失。但更換PTJ和DOJ型萬(wàn)向節(jié)會(huì)增加30～50元成本，對(duì)于經(jīng)濟(jì)性SUV車型成本增加太多，故不采用萬(wàn)向節(jié)型優(yōu)化方法。

3.3 配合間隙優(yōu)化

該車型驅(qū)動(dòng)軸配合間隙最大在0.15 mm，通過(guò)優(yōu)化可控制在小于0.08～0.1 mm，滿足驅(qū)動(dòng)軸配合間隙設(shè)計(jì)要求，配合間隙的優(yōu)化無(wú)需增加成本。經(jīng)裝車驗(yàn)證后效果如圖15所示，橫向振動(dòng)有一定改善，但仍無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

圖15 配合間隙優(yōu)化效果

3.4 潤(rùn)滑油脂優(yōu)化

該驅(qū)動(dòng)軸采用G2潤(rùn)滑油脂，更換為潤(rùn)滑效果更好的5389潤(rùn)滑油脂，增加成本5元。在配合間隙優(yōu)化基礎(chǔ)上通過(guò)更換潤(rùn)滑油脂裝車驗(yàn)證，效果如圖16所示，橫向振動(dòng)明顯改善，滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)，同時(shí)主觀評(píng)價(jià)橫向振動(dòng)消失。

圖16 配合間隙和潤(rùn)滑油脂優(yōu)化效果

綜上所述，從車型定位和控制成本的角度出發(fā)，最終采用配合間隙和潤(rùn)滑油脂優(yōu)化方案，完成該車型橫向振動(dòng)問(wèn)題整改，用最小的成本完成問(wèn)題優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)表述驅(qū)動(dòng)軸引起的汽車橫向振動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)象制定直行和變道兩種評(píng)價(jià)方法，開(kāi)展對(duì)應(yīng)的客觀評(píng)價(jià)，經(jīng)對(duì)比主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)一致性良好；

(2)通過(guò)階次分析顯示橫向振動(dòng)不滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)，對(duì)比跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定橫向振動(dòng)由驅(qū)動(dòng)軸3階激勵(lì)引起，并制定橫向振動(dòng)發(fā)生機(jī)制圖；

(3)基于TJ型三球銷式萬(wàn)向節(jié)具體結(jié)構(gòu)，開(kāi)展單個(gè)球環(huán)受力分析，識(shí)別3階軸向循環(huán)力產(chǎn)生原因；

(4)從布置角度、節(jié)型結(jié)構(gòu)、配合間隙、潤(rùn)滑油脂4個(gè)方面闡述3階軸向循環(huán)力的影響因素，為橫向振動(dòng)的優(yōu)化提供方向；

(5)根據(jù)車型定位和多種優(yōu)化方案對(duì)比，最終通過(guò)配合間隙和潤(rùn)滑油脂的低成本優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)該車型橫向振動(dòng)問(wèn)題的控制。