驅動軸夾角與整車橫擺試驗研究

周宗琳，田子龍，任 超

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

乘用車加速抖動問題已成為客戶抱怨的焦點之一，解決抖動問題，很多車企都優先進行模態匹配及隔振控制，由于裝配、制造精度引起的驅動軸夾角偏大而導致的整車抖動問題往往被忽視。Young-Hun等人通過多體動力學方法，建立了驅動軸總成的仿真模型，對比了不同三球銷式萬向節的軸向力，發現VTJ-BJ型驅動軸總成具有較小的軸向力，可以減小汽車行駛中的振動[1]。

Chul-Lee等通過實驗方法證明三球銷式萬向節球環與滑槽間的動摩擦系數與三球銷的軸向力直接相關，且軸向力與摩擦系數呈正線性關系[2]。上海交通大學郭常寧通過仿真分析得出，在萬向節轉動的過程中，三球銷式萬向節的三銷架中心既圍繞三柱槽殼軸線與三銷架運動平面的交點作圓周公轉運動，又繞自身作自轉運動，公轉的角速度是自轉角速度的3倍。并得出總的軸向力在萬向節轉動一周的過程中周期性變化3 次。同時，對三球銷式萬向節進行振動性能分析，發現三銷架在軸向的角速度和角加速度波動較大[3]。羅軼超分析出優化前置后驅車的萬向節夾角可以抑制車輛低頻抖動[4]。但大多數文獻開展的都是純理論研究，綜合考量驅動軸夾角、驅動軸的軸向派生力和整車抖動三者之間的關系，并總結整車振動客觀指標與橫擺問題主觀評價之間的關系，卻很少見。

單滾環三球銷萬向節主要由三柱槽殼、三銷架、滾針、球環、驅動軸等組成。驅動軸通過花鍵與三銷架相連,三銷架上有3 個銷軸均勻分布在同一平面上，球環通過滾針軸承與3個銷軸相連,球環相對于銷軸可以移動。三柱槽殼內側有按軸線方向排列的溝道,3個球環分別嵌入3條溝道中。三球銷式等速萬向節工作(轉動)時，三柱槽殼(主動軸)通過球環帶動三銷架(驅動軸)轉動[5]。由于汽車總布置的限制，驅動軸兩端（差減花鍵中心和輪胎胎心）通常不在一條直線上，三柱槽殼與驅動軸軸桿中心軸線之間通常有一個夾角，如圖1所示，該夾角在空間的最大值即驅動軸夾角δ。

圖1 三球銷式驅動軸

三球銷式等速萬向節是各大主機廠常用的移動節，三柱槽殼轉一圈，球環在滑槽軌道內滑進和滑出完成一個周期的運動，其滑移過程中將產生摩擦力，3個球環所受摩擦力在滑槽軸向的合力大小等于驅動軸軸向力。通過受力分析[6]，得出3個球環各自的軸向力及總軸向力隨轉角的變化規律，如圖2所示。

圖2 軸向力隨轉角的變化規律

固定驅動軸夾角時，在一個周期360°內，總的軸向力周期性變化3 次，達到3 次最大值，其變化周期為120°，這與3個球環120°均布在三銷架上相吻合，即總的軸向力呈3 階變化，驅動軸3 階激勵為最主要激勵源。

通過對4家國內外主流供應商的單滾環結構三球銷式驅動軸在不同驅動軸夾角下所受3階軸向派生力的臺架試驗和采用不同驅動軸夾角搭載同一整車進行NVH 測試，得出了驅動軸夾角、軸向派生力對整車加速座椅導軌振動的影響規律。通過測試20款不同前置前驅四缸機汽油車的座椅導軌振動，總結出座椅導軌客觀振動量與整車橫擺主觀評分間的關系。

1 軸向派生力臺架試驗

臺架試驗在NVH試驗臺上進行，臺架一端是可以控制扭矩、轉速等輸入參數的電機；另一端有壓電式力傳感器測試其軸向派生力。試驗中，僅改變更容易偏大的左驅動軸夾角進行臺架及整車試驗。測試前預熱軸節15 min，預熱扭矩為300 Nm，驅動軸夾角為0～15°，轉速為200 r/min；正式運轉時，扭矩為600 Nm，驅動軸夾角為0°、2°、4°、6°、8°，轉速為200 r/min。改變左驅動軸夾角，換4 家供應商的單滾環結構三球銷式驅動軸分別進行軸向派生力3階成分測試，每家供應商的驅動軸均隨機挑選3根。軸向派生力3階成分測試結果如圖3所示。

圖3 不同驅動軸夾角下3階軸向派生力

單滾環結構三球銷式驅動軸軸向派生力與驅動軸夾角呈正線性關系，夾角越大，3階軸向派生力越大。驅動軸夾角小于4°時，驅動軸軸向派生力3 階成分小于50 N。

2 不同驅動軸夾角整車NVH試驗

2.1 橫擺明顯車輛NVH測試

在1.5 T 四缸機搭載6 AT 手自一體變速器的前置前驅汽油車上進行試驗研究，在整車噪聲振動試驗前，將被測車輛置于平板舉升機上，用便攜式關節臂測量機生成三柱槽殼和驅動軸軸桿兩個柱體，并計算二者中心軸線在空間的最大夾角，即為整車狀態下的驅動軸夾角。

僅乘坐一名70 kg駕駛員時，左右驅動軸夾角分別為5.8°和4.0°，在大油門加速時，整車橫擺明顯，主觀評價不能接受，在車速為35 km/h、75 km/h、95 km/h時左右橫擺現象最明顯，主觀評價為5分，評分標準見表1。

表1 主觀評價評分標準表

該車采用單滾環結構三球銷式驅動軸，對整車狀態下3擋全油門加速工況時座椅導軌振動進行測試。加速度傳感器采用B＆K4524B，頻率范圍為0.2 Hz～3.2 kHz。測試時，頻率分辨率設置為1 Hz，帶寬設置為200 Hz，布置位置如圖4所示，加速度方向為：汽車長度方向為X，寬度方向為Y，高度方向為Z。采用LMS.Test Lab數據采集系統進行本次測試。

圖4 加速度傳感器座椅導軌布置圖

在光滑路面上，M模式3擋全油門加速，車速為30 km/h～100 km/h，采集座椅導軌振動信號和車速信號，根據實測數據，分析出對應座椅導軌Y向振動的Colormap圖，如圖5所示。

圖5 座椅導軌Y向振動Colormap圖

該車輛的輪胎參數為215/55 R18，車速為30 km/h～100 km/h 時，驅動軸3 階對應的頻率為11.5 Hz～38.3 Hz，在圖5對應頻率處有明顯的驅動軸3階階次振動信號。將驅動軸3 階振動信號切片，切片階次帶寬0.5 order，如圖6所示。

圖6 座椅導軌Y向驅動軸3階振動切片

在35 km/h、75 km/h、95 km/h 處，驅動軸3 階座椅導軌Y向振動幅值均達到0.23 m/s2以上，振動較大，與主觀評價結果吻合。

驅動軸3 階座椅導軌Y向振動幅值在0.23 m/s2以下的55 km/h、80 km/h 處，整車橫擺輕微，主觀評價該車速無明顯橫擺。

2.2 無橫擺車輛NVH測試

在另一臺1.5 T 四缸機搭載6 AT 手自一體變速器的前置前驅汽油車上進行試驗研究，該車在大油門加速時，均無橫擺現象，主觀評價為7分。該車同樣采用單滾環結構三球銷式驅動軸，僅乘坐一名駕駛員時，左右驅動軸夾角分別為3.2°和2.3°，對整車狀態下3擋全油門加速工況時座椅導軌振動進行測試。測試方法與橫擺明顯車輛一致。得到座椅導軌Y向振動Colormap 圖和對應的驅動軸3 階振動切片，如圖7、圖8所示。

圖7 座椅導軌Y向振動Colormap圖

驅動軸3 階座椅導軌Y向振動幅值均在0.15 m/s2以下，振動較小，與主觀評價結果吻合。

測試其他20 臺不同排量的前置前驅四缸機汽油車搭載不同變速器發現，驅動軸3 階座椅導軌階次切片的Y向振動幅值與橫擺現象主觀評價結果一致，可作為評判整車橫擺明顯與否的標準。

圖8 座椅導軌Y向驅動軸3階振動切片

2.3 不同夾角工況下車輛NVH測試

在整車狀態下，4家供應商的右驅動軸夾角保持4.0°不變，通過調節懸架剛度等參數控制不同左前驅動軸夾角，并實測出僅乘坐一名駕駛員時的夾角，然后在整車狀態下，測試出不同驅動軸夾角工況下4家供應商的驅動軸對應的驅動軸3 階座椅導軌Y向振動幅值，每種狀態測試3組數據，取平均值，如圖9所示。

圖9 不同驅動軸夾角工況下驅動軸3階座椅導軌Y向振動幅值

驅動軸3 階座椅導軌Y向振動與驅動軸夾角呈正線性關系，驅動軸夾角越大，Y向振動越大，當驅動軸夾角大于4.5 度時，驅動軸3 階座椅導軌Y向振動大于0.15 m/s2，整車表現出橫擺。驅動軸3階振動的頻率范圍在5 Hz～50 Hz，人體器官的固有頻率也在該頻段內（頭部為8 Hz～12 Hz，肢體為10 Hz～12 Hz），所以人體對該頻率段的振動較敏感，且為Y向振動，當該階次振動過大時，車內乘員將感知明顯的整車橫向擺動，在平直光滑路面上駕駛出現該現象時，極易引起乘員抱怨。結合其他前置前驅四缸機汽油車輛的驅動軸3階座椅導軌振動幅值和主觀評價表現，總結出兩者之間的關聯，如表2所示。

表2 驅動軸3階座椅導軌Y向振動幅值與橫擺

3 結語

（1）單滾環結構三球銷式驅動軸的軸向派生力與驅動軸夾角呈正線性關系，夾角越大，軸向派生力越大。驅動軸夾角小于4度時，驅動軸軸向派生力3階成分小于50 N。軸向派生力3階成分的大小是驅動軸3階座椅導軌Y向振動產生的主要原因。

（2）驅動軸3 階座椅導軌Y向振動與驅動軸夾角成正線性關系，驅動軸夾角越大，Y向振動越大，當驅動軸夾角大到一定程度時，四缸機汽油車驅動軸3階座椅導軌Y向振動大于0.23 m/s2，整車表現出較明顯的橫擺。當驅動軸夾角較小時，驅動軸3 階座椅導軌Y向振動幅值小于0.16 m/s2，整車表現較好，無橫擺。

（3）單滾環結構三球銷式驅動軸的軸向派生力、驅動軸3階座椅導軌Y向振動均與驅動軸夾角呈正線性關系，汽車設計前期，應控制驅動軸夾角。當整車表現出橫擺現象時，可以通過減小驅動軸夾角進行改善。