关于驱动轴引起的整车抖动问题研究分析.pdf

.742023年第16 期关于驱动轴引起的整车抖动问题研究分析宫静，柯建勇，姚明和，蔡战羊（浙江零跑科技股份有限公司，浙江杭州310 0 51）摘要：针对某新能源车中油门开度加速过程，整车后排有明显抖动进行问题排查。根据排查结果可知：后排抖动主要由于驱动轴的0.3阶激励引起的，通过对比TJ节型和高效AAR节型的工作特性，提出将原TJ普通节改为AAR高效节，对调整后的车辆进行路试试验、频谱分析等。结果表明：更改驱动轴节型后，0.3阶振动峰值由5.95m/s降为1.8 6 m/s，极大的改善了车辆的NVH性能。关键词：加速抖动；轴向派生力；后排抖动;NVH;万向节节型中图分类号：U461.4Research on Vibration of Vehicle Caused by Driving ShaftGong Jing,Ke Jian-yong,Yao Ming-he,Cai Zhan-yang(Zhe Jiang Lingpao Technology Co.,Ltd,Zhejiang Hangzhou 310051)Abstract:The problem that the body of the new energy vehicle vibrates obviously after accelerating at medi-um speed and full throttle was investigated.According to the investigation results,the rear row shaking is main-ly caused by the O.3 order excitation of drive shaft.By comparing the working characteristics of ordinary TJ sec-tion and AAR high efficiency section,it is proposed to change the oridinary TJ section into AAR high efficiencysection,and carry out road test,spectrum anaylysis,etc.The results show that:After replacing the couplingtype,the peak vaule of 0.3 order vibration is reduce from 5.95m/s2 to 1.86m/s,which greatly improves theNVH performance of the vehicle.Key words:Accelerate shaking;Generated Axial force;Rear row shaking;NVH;Universal joint type0引言近年来，随着新能源车行业的快速发展，纯电动车的研发技术也日趋成熟。相比于传统燃油车，电动汽车污染小、噪声小、节能环保，以电机作为动力源，扭矩大，动力响应速度快，传动系统更加简单，但是电动汽车也出现了很多的NVH问题。驱动轴作为整车传动系统的重要零部件，其设计的好坏对于整车抖动也有很重要的影响。汽车行驶抖动不但会降低驾乘人员乘坐舒适性，而且会加速相关零部件的老化和疲劳破坏，缩短零部件的使用寿命，同时,抖动增加了缺乏经验的驾驶员误操作的可能，影响到汽车行驶安全性。本文针对某自主品牌后驱纯电车在特定速度区间内全油门加速时，后排产生抖动问题，通过振动的传递路径和路试实验找出抖动的原因，并使用NVH测试分析抖动特征，揭示油门加速后排抖动的机理，对比了不同万向节的性能，并提出采用更换万向节节型，减小轴向派生力来提升整车的NVH性能。1问题现象描述文中涉及的某款纯电SUV后驱车型采用TJ型三球销式万向节、BJ型球笼式万向节的组合驱动轴。该车辆在高环后组合路工况时，车辆加速到8 0 12 0 km/h左右时，后排明显抖动，顾客感知明显并且无法接受，必须采取有效的措施减小或消除该抖动。为了查找问题的原因，对此问题进行客观测试排查，在后部座椅上布置PCB三轴向振动加速传感器，运用作者简介：宫静（19 8 6 一），女，汉族，安徽阜阳人，高级工程师，硕士，主要从事车辆底盘研究与开发工作。文献标识码：A文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0074-03LMS公司TEST.LAB测试软件对整车采集数据，按试验要求的高速组合环道路上进行全油门加速工况路试试验。由座椅瀑布图（图1)可知，座椅出现明显0.3阶次振动，且电机转速在56 0 0 6 8 0 0 r/min时振动较为明显，对应的振动频率为2 9 36 Hz,与主观评价抖动车速基本一致。800090.5070060050b03000200k5000.002#抖动原因机制分析2.1分析后排抖动因素目前解决NVH问题思路主要通过激励源、传递路径、响应三个方面进行分析排查，针对本次后排抖动问题，得到如图2 抖动的传递路径：由于整车只有在起步至中油门开度急加速时，后排才会出现明显抖动，匀速或缓慢加速行驶时，并未出现抖动现象，所以排除由路径1造成的抖动；主要关注传递路试2、路径3的传递过程，电机在运转过程中电机扭矩不正常的波动、悬置参数系统匹配不合理，在传递过程中悬置刚度较小而未起到吸振的作用，抑或者驱动轴激励源激发某刚体模态共振传递至座椅而造成整车的抖动。8.9异常特征耐久车辆HzFrequency图1座椅瀑布图(SK3)opn11Iday0.001200.00内燃机与配件激励源9 0 k m/h 有较小的改善,但在整个50 7 0 km/h区间抖动都地面驱动轴电机及减速器轮胎电机及减速器传递制动器路径摆臂1副车架传递格径图2 座椅振动系统传递路径2.2问题排查2.2.1电机扭矩波动电机转矩输出的平顺性直接影响着整车的舒适性，其决定因素电机的扭矩波动大小；在整车状态下，提取CAN总线协议中的电机转速、VCU指示转矩和电机转矩信息，提取信号如下图3所示。从图3上看，电机在整车运转的过程中，整车抖动时并未发生电机扭矩的波动。故此因素不是造成后排抖动的关键要素。M图3电机扭矩示意图2.2.2悬置因素分析测试整车悬置系统振动情况如图4所示：D挡缓加速至50 6 0 km/h，电机转速在3140 r/min，主要频率成分为16HZ,对应阶次0.3阶；随即全油门至110 km/h左右，电机转速在6 0 8 0 r/min，主要频率成分30 HZ。对应阶次为0.3阶，座椅均出现振动幅值。0.0%0.060.050.040.0330.020.010.002000图4悬置系统振动coluormap图随即通过优化悬置的刚体模态来调整悬置刚度值，进而做进一步的分析，调整后如表1所示：表1悬置刚体模态Freq.(Hz)上限For/Aft18Lateral13.5Bounce19.5Roll31.5Pitch37.5悬置刚度调整后结果如图5：调整悬置模态值，振动幅值在发动机转速轴向区间上发生了转移。更换上限刚度后，7 075非常明显，相较于中限，抖动时间更长；更换下限刚度后，两车速区间均有所改善，整个缓加区域抖动幅值减小。悬置1悬置副车架副车架传递路径2传递路径3车身座椅人响应DSR-X0.3th Order中限DSR+Z0.3thOrder中限DSR-Y0.3thOrder中限6080.0(/mi0.037529尚13140.00.027147o11/mnJ300040000.07号A0.060.050.040.030.020.010.00100090.070.0号0.050.040.030.020.010.00改善，但总体来说改善幅度较小，同时刚度降低也会影响悬置橡胶的耐久和老化，故悬置这一因素未做进一步的优化分析。2.2.3驱动轴三阶激励原因分析对抖动路试车辆进行布点测试，采集后座椅Y向振动和车速信号，电机转速在6 2 0 0 rpm附近，后排出现约31Hz的抖动，同时表明在30 Hz存在刚体模态，该模态被0.3阶的阶次激励激发，引起共振。由于该电驱系统的总速比为9.31,其半轴的转频阶次为：1/9.31=0.1而半轴移动节处一般有三轴销,所以会产生转频的三倍频，其阶次为：0.1 3=0.3由此可知，座椅的抖动是由半轴的阶次激励激发与某结构模态共振引起的。同时其振动的幅度主要取决于驱动轴轴向派生力的大小。2.2.3.1轴向派生力机理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，三个滚动轴承产生的摩擦力的合力不能在内部抵消,驱动中每旋转一周，该合力有三次方向变化，力的方50006000原车件1713192936DSR-X0.3thOrder上限DSR-Y0.3thOrder上限DSR+Z0.3th.Order上阳3300.0001071)min0.0272081012000300020003000综合分析,降低悬置的刚度对后排的抖动有一定的700080001/min下限16.512.518.527.5350.07号0.06号6400.01/minl0.03013:8140005000DSR-X0.3thOrder下限DSR-Y0.3thOrder下限DSR+Z0.3th.Order下限6020.0/mm0.024118f50004000图5悬置刚度调整振动测试图向沿移动节轴线方向，故而该力被称为驱动轴轴向派生力。其中各个力的相互关系为T,=F浓t/cos 1=F滑t/tan 1式中：T为轴向力；F漆1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；为三销架中心平面垂直与平面的夹角。由此可知,滑移和滚动的摩擦力以及夹角直接影响着轴向力的大小，为此降低摩擦力和角度为本次减小轴向力的研究要素。2.2.3.2车轴向派生力影响因素(1)空间布置角度DSR-X0.3thOrder中限DSR-Y0.3thOrder中限DSR+Z 0.3th.Order中限0.056080.00.0375290.040.0271471a10.030.020.01-600070001/min600070001/min0.000.060.05-0.040.030.02-0.010.0010002000Y20003000.340003000500040006000500070001/min1/min76驱动轴空间布置角度是指主动轴和从动轴的空间夹角，通过对TJ节型三球销式等速万向节进行台架测试，在不同扭矩下，轴向测试力与布置角度测试结果如下图6，驱动轴空间布置角度越大，轴向派生力越大。驱动轴空间布置角度主要取决于制动器轮毂单元与动力总成的X/Z相对位置，在前期预研设计阶段需要重点考虑，一般设计布置角度不得超过5350300250200150100500卓0图6 TJ轴向派生力与布置角度关系(2)油脂选型万向节内部填充的润滑油脂，其作用是在驱动轴运转的过程中能够有效的降低滚动摩擦力和滑动摩擦力，从而降低其轴向派生力，由此可见，润滑脂的选型在驱动轴开发选型过程中，起到非常关键的因素。(3）节型结构驱动半轴移动节型是影响轴向循环力的重要因素，而轴向循环力的大小直接影响整车抖动的关键因子。现阶段市场上最常见的节型主要是TJ节和AAR，T J万向节为传统的三球销节，轴承外圈只能沿着三销架柱轴向运动以及绕轴线旋转运动,AAR节较TJ节球销多一个回转自由度，且轴承多一个内圈，可有效降低摩擦阻力，同时传动效率比TJ节高1%2%左右。试验测试下图7 可得，在同一扭矩下，在3之前两节型的轴向力变化不大,在3之后,TJ轴向派生力急剧的变大，AAR呈现平稳增加的趋势。350300150100500图7 轴向力与角度关系值3措施优化验证3.1布置角度优化该车型在半载工况下驱动轴移动端的布置角度是0.8，固定端布置角度1.6 此现状布置角度满足其设计指标要求，故不予考虑。3.2润滑油脂优化本案例驱动轴采用市场上成熟的C产品油脂，对比了市场上另外两款油脂，其油脂的性能均比其它两款（A和B)要优，如下表2：表2 不同油脂物理特性项目A稠化剂类型锂基复合钙基聚脲工作锥人度/0.1mm331滴点273钢网分油（10 0，2 4h）（质量分数）/%4.12023年第16 期蒸发损失（9 9，2 2 h）（质量分数）/%氧化安定性(9 9，10 0 h，7 58 k P a)压力降/kPa四球极压性能，最大无卡咬负荷（PB值)/N四球极压性能，烧结负荷（PD值）/N四球抗磨性能（39 2 N，6 0 m i n），磨痕直径/mm防腐蚀性(52,48 h)SRV摩擦磨损性摩擦系数顶球磨痕直径/mm+300Nm注：（1)润滑脂的锥人度更高，说明其流动性更优，可对摩擦副起到600Nm更好的润滑效果；+900Nm（2)润滑脂的PB及PD值更高，说明其能承载的压力越大极压性能*1200Nm越强；51011520万向节角度/+高效AAR节30 0 Nm+普通TJ节30 0 Nm高效AAR1200Nm+普通TJ节12 0 0 Nm510万向节角度）续表项目(3)SRV磨擦系数低，说明滑移阻力小，NVH性能更优，其抗磨损性能更好。综合以上,考虑到成本等因素,油脂因素不予考虑继续优化。3.3节型优化由于整车布置角度较小，在初期设计时驱动轴节型选择方案移动端采用TJ型三球销式万向节布置，通过更换内节为AAR节型后再进行频谱测试如图8 所示，座椅的振动幅值由5.9 5m/s降低为1.8 6 m/s，改善效果明显，同时主观驾评一致表现良好，达到与竞品车的同等水平。4结论(1)针对某后驱的纯电动车在特定行驶速度下，全油门加速后排抖动的问题，对传递路径进行排查，结合路试试验，频谱测试等分析可得后后排抖动是由于驱动轴三阶频率与某刚体结构某阶次模态比较接近，从而引发的共振，进而导致整车座椅的抖动。(2)分析了布置角度、节型结构、润滑油脂对驱动中力的影响，为以后的整车抖动的优化提供方向，以及为后续项目的开发过程提供很好的借鉴价值。(3)结合车型定位和市场的规模，最终采用更换节型1520A0.692168724520.45合格合格合格0.0550.0460.520.456.005.505.004.50Order0.30电机输出轴：+zOrder0.30电机输出轴：+z3.502.001.501.000.504000.00RpmExtr(TI)图8 AAR节型座椅测试图来优化整车的抖动，优化后主观驾评和客观测试均一致性良好。参考文献：1陈家瑞.汽车构造 M.机械工业初版设，2 0 0 9.2 部可峰，陈佳伟，邹天鸣.某款新能源车纯电动车辆的NVH问题分析与解决 JI.汽车实用技术，2 0 19（19）：1-3+6.3赵健，王明正，宋雨，陈迪，路禹.某纯电动车急加速抖动问题分析和解决J.汽车实用技术，2 0 2 0（0 1）：38-41.4郑娇娇，郭常宁，雍耀伟，等.三球销式等速万向节受力及仿真分析 J.机械强度，2 0 15，37（1）：114-12 1.5杜郑珊，李国豪，高锦锦，等.汽车等速万向节润滑脂的研制 J.合成润滑材料，2 0 18，45（4）；4-6.BC346350266280min0.51maxB0.482088324520.40.860.937p6197.6660008000.00rpm6张兰英，张会情，刘庆廉，等.一种汽车滑动式CVJ润滑脂的研发及应用C/中国汽车工程学会燃料与润滑油分会第十四届年会论文集，2 0 10，兰州：辽海出版社,2 0 10:2 34-2 39.C3max98631500.45max0.0420.40原林态