关于驱动轴引起的汽车横向振动探析

2020-09-27石宇鹏张全逾阳郴郴

汽车零部件 2020年9期

石宇鹏，张全逾，阳郴郴

(1.汉腾汽车有限公司，江西上饶 334000；2.承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德 067000)

0 引言

驱动轴是汽车动力传输的关键部件，同时在汽车行驶过程中也会引发很多NVH问题，如驱动轴弯曲共振引起的轰鸣、驱动轴扭转共振引起的轰鸣、驱动轴弯曲共振引起的变速器和主减速器哨音、驱动轴异响等[1]，而针对驱动轴引起的汽车横向振动现象的深入研究较少，故本文作者基于某款SUV车型的横向振动现象，开展横向振动的产生机制、评价方法、影响因素、优化措施等几个方面的研究，有效控制该车型横向振动，并为相关问题的探索和控制提供借鉴。

1 问题现象描述

文中涉及的某款SUV前置前驱车型采用TJ型三球销式万向节、BJ型球笼式万向节的组合驱动轴[2]，如图1、图2所示。该车辆在光滑水平沥青路面上，采用2挡全加速(WOT)行驶，发动机转速1 500～3 000 r/min、车速30～50 km/h横向振动严重，在发动机转速4 000 r/min、车速75 km/h附近也存在横向振动，顾客感知明显。

图1 整车驱动轴示意

图2 驱动轴万向节结构简图

2 横向振动产生机制分析

根据NVH性能开发模型“激励源→传递路径→响应”，从激励源和传递路径两部分开展分析，而响应部分涉及人体感知，文中不开展叙述。

基于客观测试数据开展深入分析，以进一步获取问题发生的更多信息。针对2WOT座椅导轨Y向振动(跟踪发动机转速)开展阶次分析，如图3所示，其中0.34阶为主要贡献能量。通过提取0.34阶的阶次切片(带宽0.25)，如图4所示，其振动峰值超过目标值0.25 m/s(来源于数据库对标)，由此可见该SUV车型横向振动现象由0.34阶次能量引起。

图3 2WOT座椅导轨Y向振动(跟踪发动机转速)

图4 2WOT座椅导轨Y向振动0.34阶(跟踪发动机转速)

对比分析2WOT和3WOT驾驶员座椅导轨Y向振动试验数据(跟踪发动机转速)，如图5所示，可见在不同挡位横向振动能量贡献阶次不同，故可知0.34阶与发动机转速不是强相关，应该与发动机相联旋转部件有关。对比分析2WOT和3WOT驾驶员座椅导轨Y向振动试验数据(跟踪驱动轴转速)，如图6所示，可见不同挡位横向振动能量贡献阶次相同(均为3阶)，故可知0.34阶与驱动轴转速强相关，且与驱动轴和轮胎旋转3阶激励相关。

图5 座椅导轨Y向振动(跟踪发动机转速)

图6 座椅导轨Y向振动(跟踪驱动轴转速)

通过变速器和主减速器速比，根据驱动轴和发动机阶次变换式(1)开展相关计算得到2、3挡转速阶次分别为0.34和0.55，说明跟踪发动机转速的0.34阶能量与跟踪驱动轴转速的3阶能量等效，进一步说明该车型横向振动由驱动轴和轮胎旋转3阶激励引起。根据工程经验可知，轮胎3阶激励一般很小，而驱动轴极易引起3阶激励，对比驱动轴两端试验数据如图7所示，可知驱动轴滑移端能量明显大于固定端能量，确定该车型横向振动由驱动轴(三球销式)激励引起。

图7 2WOT驱动轴Y向振动(跟踪驱动轴转速)

m=3b/a

(1)

式中：m为跟踪发动机转速阶次；a为变速器传动比；b为主减速器传动比。

从频率角度分析2WOT驾驶员座椅导轨Y向振动试验数据，可知横向振动频率集中在5～15 Hz和20～30 Hz两个频率范围内，根据工程经验可知，5～15 Hz为动力总成刚体模态(Y向)，20～30 Hz包括悬架模态(下偏频Y向模态)、车身模态、座椅模态，横向振动传递路径可具体分析动力总成、悬架、车身、座椅等。由于问题主要集中在低频模态，通过避频和隔振等方式优化传递路径有限，故文中不开展相关分析。

综合上述激励源和传递路径分析，制定横向振动机制图，如图8所示。

图8 横向振动机制

2.1 轴向循环力产生分析

TJ型三球销式万向节由主动轴、三柱槽壳、球环、三销架、滚针轴承、从动轴等构成，主动轴通过球环、三柱槽壳、三销架将扭矩近似等速地传递给从动轴。受力分析(单个球环受力分解)如图9所示，其中各个力的相互关系如式(2)所示，F1推动三销架进行旋转运动，F2推动球环进行滚动和滑动。

图9 单个球环受力分解示意

F0=F1/cosα1=F2/tanα1

(2)

式中：F0为主动轴作用到球环的力(垂直于球环于滑槽的接触面)；F1为三销架旋转力(平行于销架平面)；F2为球环水平力(平行于三柱槽壳)；α1为三销架中心平面与垂直平面的夹角。

球环在滚动过程中产生滚动摩擦，在滑动过程中产生滑动摩擦，两者共同作用使球环在滑槽内运动，产生对主动轴的轴向力，如图10所示。

图10 单个球环轴向力合成示意

其中各个力的相互关系[3]为

T1=F滚1/cosα1=F滑1/tanα1

(3)

式中：T1为轴向力；F滚1为球环绕着销轴的滚动摩擦力；F滑1为球环沿着销轴的滑动摩擦力；α1为三销架中心平面垂直与平面的夹角。

三球销式万向节3个球环呈120°均匀分布，3个球环共同作用力如式(4)所示，合作用力即轴向循环力。当主动轴和从动轴不存在摆角时，轴向循环力为0。当主动轴和从动轴存在摆角时，同一时刻3个球环的受力是不同的，但转动一圈3个球环的受力完全相同(不考虑制造和装配误差)，只是相位偏差120°，与三球销式万向节存在不等速(准等速万向节)现象机制相同[4]，在转动过程中三销架中心与三柱槽壳中心存在偏心，使得球环旋转过程不是理想简谐运动，导致轴向循环力存在3阶激励现象，如图11所示。同时，制造精度、装配误差、重力效应等均会加剧3阶激励现象。

图11 TJ型万向节轴向力变化规律

T=T1+T2+T3

(4)

DOJ型球笼式万向节(与BJ型结构相同，可移动)由主动轴、从动轴、星形套、保持架、钢球等构成，主动轴通过星形套、保持架、钢球等速地传递给从动轴。其受力分解与三球销式万向节相近，考虑球笼式万向节等速现象，使得钢球旋转过程为理想简谐运动，其轴向合力为0 N，不存在3阶激励，如图12所示。当然制造精度、装配误差、重力效应等也会引起很小的3阶激励，对NVH性能无影响。

图12 DOJ型万向节轴向力变化规律示意

3阶轴向循环力由TJ型三球销式万向节引起，故下述的影响因素针对三球销式万向节开展阐述。

2.2 轴向循环力影响因素

(1)空间布置角度

驱动轴空间布置角度指主动轴和从动轴的空间夹角(三维)，该夹角越小则三销架中心平面与垂直平面的夹角越小，由式(3)和式(4)可知轴向循环力越小，如果布置角度为0°，则轴向循环力接近或等于0 N(有其他因素影响)。通过对TJ型三球销式万向节进行台架3阶轴向循环力测试(基于平面夹角)，结果如图13所示，由此可知布置角度越小，3阶轴向循环力越小。驱动轴空间布置角度主要从开发预研阶段总布置实现，后期也可通过调整动力总成位置微调，但基本不可更改，通常驱动轴空间布置角度控制在5°之内(空载状态)[5]。

图13 TJ万向节轴向力变化规律

(2)节型结构

三球销式万向节节型一般采用TJ和PTJ两种结构，如图14所示，TJ为传统三球销式节型，其球环同时存在滚动摩擦和滑动摩擦，PTJ为球环改良三球销式节型，其球环主要存在滚动摩擦，不存在滑动摩擦。由于滚动摩擦比滑动摩擦的摩擦力小，故PTJ比TJ节型的3阶轴向循环力小。DOJ球笼式万向节3阶轴向循环力如图13所示，相比三球销式万向节小很多。台架状态驱动轴3阶轴向循环力一般控制在50 N之内。