等速驱动轴横摆振动的研究及解决

朱钊，黄巨成，张海源，滕杰

摘 要：针对某电动汽车在40km/h到60km/h速度下，全油门加速产生的整车振动问题，运用噪声阶次和振动分析，确定为驱动轴三阶振动，产生原因为全油门加速时，驱动扭矩增大产生的轴向派生力（GAF），使整车产生Y向振动，即横摆振动。根据驱动轴轴向派生力的影响因素，通过采用无震颤式万向节（AAR），降低轴向派生力，解决整车横摆振动。

关键词：驱动轴;振动;横摆;轴向派生力

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：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

某前驅电动车型，在40km/h-60km/h加速时，整车Y向横摆严重，主观评价无法接受，而相同型号燃油车型，未发现有此问题。电动汽车与燃油汽车相比，动力系统和传动系统存在较大差异，即电机代替了发动机，减速器代替了变速箱，取消了离合器，如此，电机的动力直接通过减速器传递给驱动轴。因此，怀疑驱动轴突变的力矩波动会加大横摆振动的影响。

通过检测座椅导轨振动，Y向振动较剧烈，阶次分析为0.33阶振动，即驱动轴三阶振动。Y向振动检测数据如下图1所示：

图1  座椅导轨振动colormap图

驱动轴的三阶振动，通过文献1的描述，是由移动节三枢轴与三柱槽壳之间的摩擦力导致的，因此，解决整车横摆振动问题，可以先从驱动轴优化开始。

1 原因分析

在某一角度下，驱动轴移动节的运转情况如下图所示：

图2  三枢轴与三柱槽壳运转情况

一般芯轴轴线与三柱槽壳夹角范围为23°之内，此时，芯轴轴线与三柱槽壳轴线夹角为8.5°，属于常规工作角度。三枢轴上每个轴承圈球心用OA、OB、OC来表示，由图可已看出，三个点轴向位置不同，OA靠最内侧，OC靠最外侧，OB在中间位置，当驱动轴旋转一周时，OA点经过OB、OC、回到OA位置，同样，另外两个球心点也经过了其他两个位置回到原点。如此三个点在旋转一周时，都会与三柱槽壳存在滚动摩擦和滑动摩擦，这种摩擦力，我们一般称作轴向派生力。有摩擦就会有振动，由此摩擦产生的振动，即形成了三阶振动。

根据库伦摩擦理论可知，摩擦力与压力有关，与接触面积无关，因此，摩擦力公式可表示为：

F=μ*P                                       （1）

式中：F为摩擦力，μ为摩擦系数，P为压力。压力越大，摩擦力越大，即动力扭矩越大，产生的轴向派生力和振动就越大。

2 三阶振动的影响因素

文献2和文献3描述了三阶轴向派生力与三柱槽壳的外径、传递扭矩、布置角度、润滑脂型号和转速有关。通过台架测试分析结果显示，三柱槽壳半径越大，三阶轴向派生力越小，扭矩、角度和转速与轴向派生力呈递增关系，润滑脂的摩擦系数越小，三阶轴向派生力则越小。关系图如图3所示。

图3  三柱槽壳外径的影响

图4  传递扭矩的影响

图5  布置角度的影响

由圖可知，三阶轴向派生力受布置角度和传递扭矩影响较大，呈线性分布，因此，减小布置角度和降低传递扭矩是降低三阶轴向派生力的重要手段。降低传递扭矩即将电机限扭，但会导致整车动力性减弱，影响整车性能，无法实施，只能通过减小布置角度来解决。该车左右移动节布置角度为5.6°，若调整布置角度，则对动力总成位置改动较大，无法快速实施。因此，采用一种适用角度更大的无震颤式万向节（AAR节）来弱化布置角度的影响，结构如下图所示：

图6  AAR节外形图

这种万向节是在传统的三销式万向节的基础上进行结构优化，球环和三枢轴在现有的自由度基础上，增加了两个转动自由度，使得其灵活度大大增加。这种结构可以显著地降低传动轴运转过程中的噪音、振动和不平顺性，能够改善整车NVH性能;另一方面相比传统的三销式万向节提高了最大运行角度，最大角度能力能达到26°。该结构与传统三销节最大的差异是当轴杆与三柱槽壳呈一定角度时，球环可与三柱槽壳的角度保持不变，因此，弱化了布置角度对三阶轴向派生力的影响，使其具有良好的NVH效果。

3 实车验证

在实车更换AAR节之前，先在台架上进行摸底验证，与传统的三销式万向节进行数据对比。将驱动轴固定在台架上，初始状态固定节和移动节的角度均为0°，对轴节进行15分钟预热，加载扭矩300N·m，转速200r/min，角度从0°扫描至15°，循环4次，使移动节内的润滑脂均匀分布。然后加载扭矩至600N·m，转速200r/min，移动节角度从0°变化到16°，间隔2°，每个角度运行时间为90秒，记录各角度下的三阶轴向派生力测试结果，绘制轴向派生力与夹角关系曲线图，将原移动节与AAR节显示在同一曲线图内，结果如下图所示：

图7  轴向派生力对比

由图可知，AAR节三阶轴向派生力随角度的增加，变化不大，相比TJ节较小，理论上会取得很好的减振效果。将原车左右驱动轴移动节更换为AAR节装车验证，采集座椅导轨振动，Y向振动阶次如下图所示：

图8  更换后座椅导轨振动colormap图

通过采集数据对比，AAR节的振动优于原移动节，0.33阶的振动明显消除，主观评价可以接受，整车横摆振动问题得到解决。

4 总结

影响驱动轴轴向派生力的因素有三柱槽壳的外径、传递扭矩、布置角度、润滑脂型号和转速有关，设计初期可通过控制布置角度，选取摩擦系数小的润滑脂型号来主动降低轴向派生力，但是当设计定型以后，实车验证阶段再降低轴向派生力就会处于被动状态，本文通过更换采用AAR节，实现了整车NVH目标的达成，对产品开发和问题处理都具有实际的指导意义。

参考文献

[1] 郑娇娇，郭常宁等，三球销式等速万向节受力及仿真分析[J]，机械强度，2015，37（1）：114-121.

[2] S.Serveto.J.P.Mariot.M.Diaby，Modelling and measuring the axial force generated by tripod joint of automotive drive-shaft[J]， Multi -body Syst Dyn（2008）19：209-226.

[3] Q.-C.CAI，K.-H.LEE，SIMPLIFIED DYNAMICS MODEL FOR AXIAL FORCE IN TRIPOD CONSTANT VELOCITY JOINT[J]， International Journal of Automotive Technology，Vol.13，No.5，pp. 751-757（2012）.