驱动轴夹角与整车横摆试验研究

周宗琳，田子龙，任 超

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州511434）

乘用车加速抖动问题已成为客户抱怨的焦点之一，解决抖动问题，很多车企都优先进行模态匹配及隔振控制，由于装配、制造精度引起的驱动轴夹角偏大而导致的整车抖动问题往往被忽视。Young-Hun等人通过多体动力学方法，建立了驱动轴总成的仿真模型，对比了不同三球销式万向节的轴向力，发现VTJ-BJ型驱动轴总成具有较小的轴向力，可以减小汽车行驶中的振动[1]。

Chul-Lee等通过实验方法证明三球销式万向节球环与滑槽间的动摩擦系数与三球销的轴向力直接相关，且轴向力与摩擦系数呈正线性关系[2]。上海交通大学郭常宁通过仿真分析得出，在万向节转动的过程中，三球销式万向节的三销架中心既围绕三柱槽壳轴线与三销架运动平面的交点作圆周公转运动，又绕自身作自转运动，公转的角速度是自转角速度的3倍。并得出总的轴向力在万向节转动一周的过程中周期性变化3 次。同时，对三球销式万向节进行振动性能分析，发现三销架在轴向的角速度和角加速度波动较大[3]。罗轶超分析出优化前置后驱车的万向节夹角可以抑制车辆低频抖动[4]。但大多数文献开展的都是纯理论研究，综合考量驱动轴夹角、驱动轴的轴向派生力和整车抖动三者之间的关系，并总结整车振动客观指标与横摆问题主观评价之间的关系，却很少见。

单滚环三球销万向节主要由三柱槽壳、三销架、滚针、球环、驱动轴等组成。驱动轴通过花键与三销架相连,三销架上有3 个销轴均匀分布在同一平面上，球环通过滚针轴承与3个销轴相连,球环相对于销轴可以移动。三柱槽壳内侧有按轴线方向排列的沟道,3个球环分别嵌入3条沟道中。三球销式等速万向节工作(转动)时，三柱槽壳(主动轴)通过球环带动三销架(驱动轴)转动[5]。由于汽车总布置的限制，驱动轴两端（差减花键中心和轮胎胎心）通常不在一条直线上，三柱槽壳与驱动轴轴杆中心轴线之间通常有一个夹角，如图1所示，该夹角在空间的最大值即驱动轴夹角δ。

图1 三球销式驱动轴

三球销式等速万向节是各大主机厂常用的移动节，三柱槽壳转一圈，球环在滑槽轨道内滑进和滑出完成一个周期的运动，其滑移过程中将产生摩擦力，3个球环所受摩擦力在滑槽轴向的合力大小等于驱动轴轴向力。通过受力分析[6]，得出3个球环各自的轴向力及总轴向力随转角的变化规律，如图2所示。

图2 轴向力随转角的变化规律

固定驱动轴夹角时，在一个周期360°内，总的轴向力周期性变化3 次，达到3 次最大值，其变化周期为120°，这与3个球环120°均布在三销架上相吻合，即总的轴向力呈3 阶变化，驱动轴3 阶激励为最主要激励源。

通过对4家国内外主流供应商的单滚环结构三球销式驱动轴在不同驱动轴夹角下所受3阶轴向派生力的台架试验和采用不同驱动轴夹角搭载同一整车进行NVH 测试，得出了驱动轴夹角、轴向派生力对整车加速座椅导轨振动的影响规律。通过测试20款不同前置前驱四缸机汽油车的座椅导轨振动，总结出座椅导轨客观振动量与整车横摆主观评分间的关系。

1 轴向派生力台架试验

台架试验在NVH试验台上进行，台架一端是可以控制扭矩、转速等输入参数的电机；另一端有压电式力传感器测试其轴向派生力。试验中，仅改变更容易偏大的左驱动轴夹角进行台架及整车试验。测试前预热轴节15 min，预热扭矩为300 Nm，驱动轴夹角为0～15°，转速为200 r/min；正式运转时，扭矩为600 Nm，驱动轴夹角为0°、2°、4°、6°、8°，转速为200 r/min。改变左驱动轴夹角，换4 家供应商的单滚环结构三球销式驱动轴分别进行轴向派生力3阶成分测试，每家供应商的驱动轴均随机挑选3根。轴向派生力3阶成分测试结果如图3所示。

图3 不同驱动轴夹角下3阶轴向派生力

单滚环结构三球销式驱动轴轴向派生力与驱动轴夹角呈正线性关系，夹角越大，3阶轴向派生力越大。驱动轴夹角小于4°时，驱动轴轴向派生力3 阶成分小于50 N。

2 不同驱动轴夹角整车NVH试验

2.1 横摆明显车辆NVH测试

在1.5 T 四缸机搭载6 AT 手自一体变速器的前置前驱汽油车上进行试验研究，在整车噪声振动试验前，将被测车辆置于平板举升机上，用便携式关节臂测量机生成三柱槽壳和驱动轴轴杆两个柱体，并计算二者中心轴线在空间的最大夹角，即为整车状态下的驱动轴夹角。

仅乘坐一名70 kg驾驶员时，左右驱动轴夹角分别为5.8°和4.0°，在大油门加速时，整车横摆明显，主观评价不能接受，在车速为35 km/h、75 km/h、95 km/h时左右横摆现象最明显，主观评价为5分，评分标准见表1。

表1 主观评价评分标准表

该车采用单滚环结构三球销式驱动轴，对整车状态下3挡全油门加速工况时座椅导轨振动进行测试。加速度传感器采用B＆K4524B，频率范围为0.2 Hz～3.2 kHz。测试时，频率分辨率设置为1 Hz，带宽设置为200 Hz，布置位置如图4所示，加速度方向为：汽车长度方向为X，宽度方向为Y，高度方向为Z。采用LMS.Test Lab数据采集系统进行本次测试。

图4 加速度传感器座椅导轨布置图

在光滑路面上，M模式3挡全油门加速，车速为30 km/h～100 km/h，采集座椅导轨振动信号和车速信号，根据实测数据，分析出对应座椅导轨Y向振动的Colormap图，如图5所示。

图5 座椅导轨Y向振动Colormap图

该车辆的轮胎参数为215/55 R18，车速为30 km/h～100 km/h 时，驱动轴3 阶对应的频率为11.5 Hz～38.3 Hz，在图5对应频率处有明显的驱动轴3阶阶次振动信号。将驱动轴3 阶振动信号切片，切片阶次带宽0.5 order，如图6所示。

图6 座椅导轨Y向驱动轴3阶振动切片

在35 km/h、75 km/h、95 km/h 处，驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动幅值均达到0.23 m/s2以上，振动较大，与主观评价结果吻合。

驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动幅值在0.23 m/s2以下的55 km/h、80 km/h 处，整车横摆轻微，主观评价该车速无明显横摆。

2.2 无横摆车辆NVH测试

在另一台1.5 T 四缸机搭载6 AT 手自一体变速器的前置前驱汽油车上进行试验研究，该车在大油门加速时，均无横摆现象，主观评价为7分。该车同样采用单滚环结构三球销式驱动轴，仅乘坐一名驾驶员时，左右驱动轴夹角分别为3.2°和2.3°，对整车状态下3挡全油门加速工况时座椅导轨振动进行测试。测试方法与横摆明显车辆一致。得到座椅导轨Y向振动Colormap 图和对应的驱动轴3 阶振动切片，如图7、图8所示。

图7 座椅导轨Y向振动Colormap图

驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动幅值均在0.15 m/s2以下，振动较小，与主观评价结果吻合。

测试其他20 台不同排量的前置前驱四缸机汽油车搭载不同变速器发现，驱动轴3 阶座椅导轨阶次切片的Y向振动幅值与横摆现象主观评价结果一致，可作为评判整车横摆明显与否的标准。

图8 座椅导轨Y向驱动轴3阶振动切片

2.3 不同夹角工况下车辆NVH测试

在整车状态下，4家供应商的右驱动轴夹角保持4.0°不变，通过调节悬架刚度等参数控制不同左前驱动轴夹角，并实测出仅乘坐一名驾驶员时的夹角，然后在整车状态下，测试出不同驱动轴夹角工况下4家供应商的驱动轴对应的驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动幅值，每种状态测试3组数据，取平均值，如图9所示。

图9 不同驱动轴夹角工况下驱动轴3阶座椅导轨Y向振动幅值

驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动与驱动轴夹角呈正线性关系，驱动轴夹角越大，Y向振动越大，当驱动轴夹角大于4.5 度时，驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动大于0.15 m/s2，整车表现出横摆。驱动轴3阶振动的频率范围在5 Hz～50 Hz，人体器官的固有频率也在该频段内（头部为8 Hz～12 Hz，肢体为10 Hz～12 Hz），所以人体对该频率段的振动较敏感，且为Y向振动，当该阶次振动过大时，车内乘员将感知明显的整车横向摆动，在平直光滑路面上驾驶出现该现象时，极易引起乘员抱怨。结合其他前置前驱四缸机汽油车辆的驱动轴3阶座椅导轨振动幅值和主观评价表现，总结出两者之间的关联，如表2所示。

表2 驱动轴3阶座椅导轨Y向振动幅值与横摆

3 结语

（1）单滚环结构三球销式驱动轴的轴向派生力与驱动轴夹角呈正线性关系，夹角越大，轴向派生力越大。驱动轴夹角小于4度时，驱动轴轴向派生力3阶成分小于50 N。轴向派生力3阶成分的大小是驱动轴3阶座椅导轨Y向振动产生的主要原因。

（2）驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动与驱动轴夹角成正线性关系，驱动轴夹角越大，Y向振动越大，当驱动轴夹角大到一定程度时，四缸机汽油车驱动轴3阶座椅导轨Y向振动大于0.23 m/s2，整车表现出较明显的横摆。当驱动轴夹角较小时，驱动轴3 阶座椅导轨Y向振动幅值小于0.16 m/s2，整车表现较好，无横摆。

（3）单滚环结构三球销式驱动轴的轴向派生力、驱动轴3阶座椅导轨Y向振动均与驱动轴夹角呈正线性关系，汽车设计前期，应控制驱动轴夹角。当整车表现出横摆现象时，可以通过减小驱动轴夹角进行改善。