純電動與傳統乘用車起步倒車異響影響因素的對比研究

王曉強 馬書林 顧書東 林棟 林俞生

摘? 要：傳統乘用車在起步、倒車工況時，由于驅動輪承受沖擊扭矩作用，導致驅動軸外球節與輪轂軸承配合端面發生粘滑異響，本文通過純電動乘用車起步倒車異響的解析案例，對比研究其影響因素與傳統車的區別。

關鍵詞：驅動軸;粘滯噪音;扭矩響應;起步倒車

中圖分類號：U461.4? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）04-0015-05

Abstract： When the traditional passenger cars start and reverse， the driving wheel bears the impact torque， resulting in the stick-slip abnormal sound between the outer joint of the driving shaft and the end face of the hub bearing. This text studies the difference influencing factors between the pure electric and traditional cars ，through the analysis of the abnormal sound of starting and reversing of passenger cars.

Key Words： drive shaft; viscous noise;torque response;start reverse

隨著社會經濟和汽車工業的發展，汽車用戶對車輛要求的不斷提高，從汽車駕駛舒適性及整車NVH均提出了更大的要求。尤其近幾年隨著能源問題的日益突出，電動汽車產業迅速發展，雖然電動車在噪聲方面有著先天優勢，但是在部分工況下，尤其是在高負載和高轉速的情況下，噪聲問題比較突出，然而現階段多數電動車的設計主要還是沿用傳統汽車的相關結構與參數或經驗去設計，導致電動汽車的噪聲問題被一直忽視。本文就以某電動車起步倒車異響問題為例，通過與傳統車的對比分析，研究影響電動車起步倒車工況異響的因素。

1? ? 起步倒車異響產生的位置

車輛在快速起步或倒車工況時，前懸輪邊處傳出一聲或者數聲“咯噔”異響，行駛中無異響，緩慢起步、倒車異響出現概率較低。

如下圖1所示，驅動軸與輪轂總成連接產生異響的部位如下：驅動軸外球節與輪轂軸承配合端面，如下圖1紅圈標記處。

2? ? 異響產生機理分析

粘滑現象：恒定牽引力作用下的界面滑動速度一般保持恒定或者近似恒定，但在某些情況下摩擦力或者滑動速度隨著滑行距離或者滑行時間出現一種波動狀態，這就是粘滑現象，滑動發生前的狀態稱作粘滯;

粘滯噪音：粘滯階段，靜摩擦力逐漸增至一定值，一旦外力足以克服這個摩擦力，界面就發生滑移，滑移過程中，摩擦力與時間關系曲線是鋸齒狀，變化劇烈，引發噪音，此噪音可稱為粘滯噪音。

因為驅動軸外球節殼體與輪轂軸承在螺母作用下壓緊在一起，但是由于下述三項影響因素，存在粘滑的條件，因此存在粘滯噪音的風險。

① 如上圖1所示，輪轂總成與驅動軸的配合端面只是圖中紅圈所示寬度為4～7mm的環面，端面間的靜摩擦力矩相對較小，驅動軸承受較大扭矩時，兩個端面發生相對轉動的風險較大;

② 花鍵配合間隙：驅動軸與輪轂軸承配合花鍵存在一定配合間隙，加劇相對滑動;

③ 驅動扭矩導致驅動軸固定節殼體自身發生彈性變形，進一步加大相對滑動趨勢。

3? ? 異響影響因素對比分析

基于上述異響機理的分析，結合某電動車及其基礎傳統車的實際案例，對比分析異響影響因素的差異。

3.1? ?異響與靜摩擦力矩的關系

根據異響機理粘滯噪音的影響因素1：靜摩擦力矩較小才會有相對轉動可能，進而產生粘滯噪音，因此對比分析靜摩擦力矩如下：

根據計算結果可明確看出某電動車及其基礎傳統車驅動軸與輪轂配合端面靜摩擦力矩完全相同，均小于驅動軸承受的扭矩，因此均有發生粘滑摩擦的可能，但是實際上車輛異響情況并不相同，因此判斷導致電動車與其基礎傳統車異響不同的因素并不是靜摩擦力矩，為了進一步判斷靜摩擦力矩對異響的影響，結合公式（1），進行如下驗證分析：

1）增大螺母擰緊力矩T（由原來的125N.m增大至180N.m）：故障率降低，但無法徹底消除。

因此得出如下初步結論：驅動軸與輪轂配合端面靜摩擦力矩對異響有影響，但是因為受結構限制，靜摩擦力矩不能無限制調整，因此其始終會小于驅動軸承受的扭矩，因此其對電動車的異響不是關鍵決定因素。

3.2? ?異響與花鍵配合間隙的關系

因為異響產生的位置是驅動軸與輪轂配合端面的接觸環面，為進一步驗證異響與花鍵配合間隙的關系，因此將相關參數進行適應性轉化，因為驅動軸一端通過移動節與差速器連接，一端通過固定節與輪轂連接，在傳遞扭矩的過程中，可將驅動軸與輪轂配合的子系統視為一端通過花鍵和鎖緊螺母固定的扭轉彈簧系（見下圖3），因此可以將花鍵配合間隙轉化為配合環面上的夾角進行對比分析，見下圖4：

其中：

θ1為驅動軸外球節外花鍵與輪轂內花鍵存在配合間隙時，對應配合環面上驅動軸外球節與輪轂之間的相對偏轉角度;

為驗證異響與花鍵配合間隙的關系，做如下對比驗證：

表2 某電動車與其基礎傳統車驅動軸與輪轂配合端面轉角及異響對比

通過上述對比分析，花鍵配合間隙對電動車起步倒車異響有一定影響，但是仍然不能消除，因此其同樣不是異響的關鍵決定因素，因此繼續結合與傳統車的差異，進行下述分析。

3.3? ?異響與驅動軸彈性變形的關系

參照異響機理中彈性變形的影響3，并結合3.2的分析方法，同樣將將驅動軸與輪轂配合的子系統視為一端通過花鍵和鎖緊螺母固定的扭轉彈簧系，將驅動軸彈性變形轉化為配合環面上的夾角進行對比分析（見上圖4）

T：為上述表1的T′驅動軸承受的驅動力矩;

：花鍵部分的軸的抗扭剛度，外球節相同其為定值;

L：花鍵部分的長度，外球節相同則其同為定值;

根據上述公式（3），驅動軸外球節相同時，θ2大小僅與驅動軸承受的扭矩成正比。

為了做進一步的驗證，首先對某電動車及其基礎傳統車的動力總成扭矩輸出響應進行如下的對比測試，即對比上述公式（3）中的T：

1）基礎傳統車型猛踩油門起步3s左右，車速為20km/h時，發動機轉速4000rpm，發動機輸出扭矩約120N.m;

2）某電動車車型猛踩油門起步3s左右，車速為20km/h時，電機輸出扭矩約260N.m;（見圖5）

3）基礎傳統車型緩慢踩油門起步3s左右，車速為10km/h時，發動機轉速2000rpm，發動機輸出扭矩約60N.m;

4）電動車車型緩慢踩油門起步3s左右，車速為10km/h時，電機輸出扭矩約120N.m;

為進一步驗證異響與驅動軸彈性變形的關系，結合上述數據以及公式（2），（3），做如下對比分析：

通過上述對比分析，基礎傳統車與電動車異響差異的本質原因在于驅動軸在相同時間內承受的扭矩差異較大，進而引起的驅動軸彈性變形也不同，雖然通過對比無法將變形角度精確值與異響的關系定量分析，但是已明確驅動軸彈性變形（間接為驅動軸承受的扭矩）與異響有密切的關系，驅動軸彈性變形才是引起異響的決定因素。為驗證對比分析結果的正確性，進一步進行如下表4驗證：

4? ? 異響解決措施

根據上述異響影響因素的對比分析，影響電動車起步倒車異響的因素有：驅動軸外球節與輪轂配合花鍵的間隙（不是關鍵影響因素），驅動軸彈性變形（關鍵影響因素，但是受結構限制無法調整自身結構，直接與驅動軸承受扭矩成正比），結合異響影響因素，分析某電動車的異響解決措施如下：

調整電機輸出扭矩響應——延長電機最大扭矩輸出時間（見下圖6）

效果：對某電動車調整電機輸出扭矩響應后，異響完全消除。

5? ? 總結

通過對某電動車與其基礎傳統車起步、倒車異響的對比研究，確定電動車的起步、倒車輪邊異響不僅與驅動軸外球節與輪轂配合的花鍵間隙有關，最主要的區別是電動車相對于傳統車動力總成扭矩輸出響應較快，通過上述研究，明確了電動車與傳統車異響影響因素的不同，后續新能源車型開發可借鑒調整電機輸出扭矩響應的方法來抑制異響，對提升新能源車型NVH水平具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]王少璋， 肖俊華，錢建功，蔡志林，孫利飛. 驅動軸起步倒車異響問題機理及解決措施.汽車后市場.

[2]賈凱敏.汽車底盤異響及特殊案例分析U.工業技術，2012， （25）.

[3]劉惟信.汽車設計[M]. 清華大學出版社，2001.

[4]李詩卓，董祥林. 材料的沖蝕磨損與微動暗損[M].機械工業出版社，1987.

[5]盛選禹. 摩阻材料的研制及其靜摩擦因數變化規律[J]. 清華大學學報，1997（11）.