某純電動汽車驅動軸異響分析與優化

張 浩 高小清 周副權 左躍云 劉年

(東風汽車集團股份有限公司技術中心 武漢 430056)

0 引言

驅動軸是汽車的動力傳遞的重要組成部分。在前驅汽車中，常通過軸向滑移式等速萬向節和固定式等速萬向節的組合使用，在變速箱輸出軸和驅動軸存在一定夾角時實現動力的平穩傳遞[1]。對于前驅的純電動汽車，驅動軸等速萬向節在全油門工況下的大扭矩傳遞，對車輛的振動噪聲水平有重要影響。

Hayama等[2]建立了由發動機模型、驅動系統、懸架輪胎模型等組成的整車多體動力學仿真模型，研究了萬向節振動導致的Y 向抖動現象，得出萬向節的3階振動是影響主觀感受的最主要因素。Hazra等[3]通過測試分析產生橫向抖動的原因，并通過增加懸置Y 向剛度的方法有效抑制了該現象。文獻[4]介紹前置前驅車上變速箱輸出軸3 階抖動，是三銷軸式萬向節產生的衍生軸向力與發動機剛體模態耦合時出現的。為了降低驅動軸對整車抖動的影響，文獻[5]提出結構改進減少滑動和改善潤滑方式的方法來降低萬向節內部摩擦力。文獻[6]提出通過合理的裝配方式可以有效地減小等速萬向節驅動軸總成的圓周間隙值和間隙波動，進而降低汽車行駛過程中的振動和噪聲。文獻[7]經過數據分析，驗證了不同潤滑系數的油脂對抖動的影響，最終采用高潤滑系數的油脂降低半軸3階軸向派生力來解決抖動問題。以上文獻，主要圍繞驅動軸的低階振動進行了研究，針對全油門大扭矩輸出工況下驅動軸產生的異響問題研究較少。

本文針對某純電動汽車在全油門加速工況下驅動軸的異響問題，結合主觀評價和振動噪聲測試，對異響源進行了優先級排序，鎖定異響至驅動軸。結合驅動軸的三銷軸式萬向節和球籠式等速萬向節的工作特性，明確異響來自球籠式萬向節內部，并提出了采用潤滑性和抗磨性能更好的油脂進行改善的途徑，有效解決了該問題，為同類型問題處理提供了參考。

1 理論分析

1.1 振動優先級排序

異響源排查過程中，需要對各點振動信號的優先級進行排序，從而確定最高級的振動點和傳遞路徑。希爾伯特變換法在確定測點之間的優先級排序上具有較好的效果，可采用此方法來判斷振源和傳遞路徑[8?9]。

對于連續時間實信號x(t)，其希爾伯特變換H(x(t))定義為[10]

對于實信號x(t)，經希爾伯特變換后為v(t)，則定義解析信號z(t)為

則對于解析信號z(t)，其實部x(t)和虛部v(t)互為希爾伯特變換對，

兩個信號x1(t)和x2(t)可構成兩個傳遞函數H12(jω)和H21(jω)，它們包含實部和虛部，均可看作一個解析信號，其表達式分別為

當x1(t)為輸入信號，x2(t)為輸出信號，H12(jω)為正確的傳遞函數，其表示的信號在時域上是存在因果的，因此其實部和虛部之間滿足希爾伯特變換，即

根據式(5)～(7)，可以得到

基于上述理論，可以通過式(7)和式(8)來判斷兩個信號之間的因果關系和排序。當H12(jω)為正確的傳遞方向時，其虛部I12(ω)等于實部R12(ω)的希爾伯特變換，滿足式(7)，此時H21(jω)的虛部I21(ω)與的實部R21(ω)希爾伯特變換相反，反之同理。以頻率ω為自變量，分別畫出兩信號之間傳遞函數H12(jω)和H21(jω)的虛部和實部的希爾伯特變換曲線，若兩條曲線之間的走勢相近，則說明該傳遞方向為正確的，若走勢相反，則說明傳遞方向是錯誤的，以此可確定兩信號的優先級。

1.2 驅動軸受力分析

三銷軸式等速萬向節和球籠式等速萬向節是傳動軸的常用結構，可實現半軸夾角時的等角速度驅動。此類驅動軸在旋轉過程中，因萬向節夾角的存在，使得軸向派生力過大，進而導致整車的振動噪聲問題[7]。

1.2.1 三銷軸式萬向節

三銷軸式等速萬向節，通過三銷架上的滑環在三柱槽殼內滑槽的運動，實現存在夾角δ時的力矩傳遞。同時因夾角δ的存在，使得三銷軸相對于三柱槽殼的旋轉存在偏心距e[1]，

其中，r為滑槽半徑，δ為三銷架軸線和三柱槽殼內滑槽軸向的夾角。

變速箱輸出扭矩M通過3 個滑環進行傳遞，各滑環所受的圓周力Pi(i=1,2,3)與扭矩M的關系為

由于3 個滑環為等角度分布，應有P1=P2=P3，則式(10)可以變為

驅動軸旋轉一圈，三銷軸上每個滑環在滑槽內完成一個往返運動，其所受到摩擦力是產生軸向力的直接原因[11]。各滑環所受到的摩擦力包含滑動摩擦和滾動摩擦兩部分，計算式為

式(12)中，μs為球環與滑槽的滑動摩擦系數；μg為球環與滑槽的滾動摩擦系數；γy為三銷架軸向與滑槽平行方向的夾角；βy為三銷架徑向與滑槽徑向的夾角；sign為符號函數。

根據i的取值，式(12)所計算的3 個分力的大小相等，相位分別相差120?，即合力在驅動軸旋轉一圈內周期性變化3 次，這是導致驅動軸3 階振動問題的原因。

1.2.2 球籠式萬向節

球籠式萬向節具有輸入軸和輸出軸大夾角且承載能力大、驅動效率高等優點，被廣泛用于汽車工業[12]。本車型采用的球籠式萬向節內部包含6個滾珠，在驅動軸旋轉過程中，鋼球中心的角速度ωQ與星形套角速度ωN關系為[13]

其中，?為半錐角，θ為星形套端輸入軸與鐘形殼端輸出軸之間的軸間半擺角，α為星形套輸入軸轉角。

根據鋼球的旋轉線速度v1=ωQRg與星形套(或者鐘形殼)的旋轉線速度v2=ωQ(Rg?RQ)，可計算運動過程中的滑滾比為

式(15)中，Rg為鋼球回轉半徑，RQ為鋼球半徑。

基于式(15)可計算得到滑滾比的結果始終在0～2 之間，即鋼球在星形套內溝道和鐘形殼外溝道的運動為滾滑相結合的摩擦運動，并呈周期性變化，其滑滾比最大時磨損現象也最嚴重。鋼球在溝道內所受到摩擦力包含滑動摩擦和滾動摩擦，合力為

其中，μs和μg分別為滑動和滾動摩擦系數，QNQ為正壓力。

由于鋼球在運動過程中發生運動方向的改變，會使得一個旋轉周期內摩擦力會產生正負的變化。

2 問題描述與測試

2.1 問題描述

某前置前驅純電動汽車開發過程中，在全油門加速工況下，40～60 km/h 區間機艙右側靠近輪胎區域出現連續“嘎啦嘎啦”的異響，車內持續時間1～2 s。經5名從事異響評估和診斷的專業工程師采用等級評分法的進行主觀評價，參考表1的評分標準，其平均分為3.4分，主觀評價不能接受。

表1 異響主觀評分標準Table 1 Table title

通過初步排查，發現問題僅在全油門工況下出現，且該車型后續試制車輛均存在此問題，亟待解決。結合經驗主觀判斷異響可能與傳動系統上變速箱、驅動軸和車輪邊等零部件相關。

2.2 試驗測試

為查明異響原因，選取一臺新車進行了振動噪聲測試。試驗基于LMS Test.lab 進行，在駕駛員內耳布置了傳聲器，在減速箱、右三角臂、右減振器、右輪心和右驅動軸中間支撐點布置了振動傳感器，其車輛局部結構和測點位置如圖1所示。

圖1 各振動測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of each vibration measuring point

試驗在平直路面上、全油門開度下進行，測取了0～70 km/h全油門工況下的數據，其中左右輪心振動如圖2所示，右減振器、三角臂和驅動軸中間支撐點數據均與右側輪心表現類似，但弱于輪心，在6.7～11 s 內出現了異常。右側輪心振動的時頻分析結果如圖3所示，其頻率成分非常寬泛，無明顯階次等特征，其他測點類似。結合車內噪聲時頻分析結果(圖4)和聲音回放，確定車內聲音屬于寬頻成分，可識別時間約1～2 s 且較輕微，初步判斷該異響為結構輻射經空氣傳播至車內。

圖2 左右側輪心振動對比圖Fig.2 Comparison of left and right wheel center vibration

圖3 右側輪心振動Colormap 圖Fig.3 Colormap of right wheel center vibration

圖4 車內噪聲Colormap 圖Fig.4 Colormap of driver’s ear noise

為明確異響的產生原因，需要對上述試驗結果進一步分析，尋找異響的傳播順序，并結合區域零部件工作特性進行異響源識別。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 優先級排序

根據第1 節的排序方法，得到右側輪心和右減振器、右三角臂、驅動軸中間支撐之間的優先級排序如圖5所示。根據圖5中的曲線走勢可以判斷異響源為輪心測點區域，并分別傳遞至右減振器、右三角臂和半軸中間支撐點，其他測點之間的結果不再展示。

圖5 各振動測點間的優先級排序圖Fig.5 Priority ranking of each vibration measuring point

考慮到輪心區域主要為半軸端和輪轂軸承配合，且該輪轂軸承為同級別車型通用件，驅動軸為新設計，后續以驅動軸為對象進一步分析。

2.3.2 驅動軸分析

對右側輪心振動數據進行轉速跟蹤分析，發現異響車速段(40～60 km/h)驅動軸6階成分明顯，由于該車型三銷軸式萬向節采用AAR 型，其軸向力導致3 階振動不明顯[7]，因此圖6在異響車速段無明顯3 階成分，說明三銷軸式萬向節不是產生該異響的原因。

基于1.2 節中的分析，鋼球與內外溝道始終進行滾動和滑動相結合的摩擦運動，且在驅動軸存在一定夾角時，滑滾比和摩擦力隨驅動軸旋轉角度表現為明顯的周期變化[13]，每旋轉一圈變化一次，因此，本車型所使用的六溝道球籠式萬向節會導致驅動軸一周內變化6 次，故表現為圖6所示的6 階。同時當滑滾比增大時，滾珠滑動比例提升，使得潤滑脂被擠出接觸區，潤滑油膜厚度變小，形成直接接觸和干摩擦，進而產生異響，輪心振動也表現為如圖2所示的寬頻特征，為典型的低頻擠壓摩擦產生的高頻振動噪聲。

圖6 右側輪心振動階次分析Fig.6 Order analysis of right wheel center vibration

3 對策改善

根據上面的分析可知，異響是球籠式萬向節內滾內部潤滑不足、摩擦力過大導致。在全油門加速工況下，驅動軸扭矩較大，隨著驅動軸轉速增加，高滾珠滑動狀態下的滾珠會將油脂擠出接觸區，無法形成潤滑油膜，產生干摩擦并輻射噪聲。隨著車速增加，驅動電扭矩下降使得驅動軸扭矩開始降低，萬向節內摩擦力也逐漸降低，異響不再產生。

為改善萬向節內部摩擦力，可以通過結構改進減少滑動和改善潤滑方式的途徑[5]。由于車型驅動軸結構形式已經確定，考慮通過改善潤滑的方法進行改善。球籠式萬向節內滾珠中的潤滑油膜最小厚度為[14]

式(17)中，η0為大氣壓力下潤滑油脂動力黏度；u為潤滑油脂的帶走速度；E為材料的彈性模量；Rx為元件的曲率半徑；E?為簡化的彈性模量；α為潤滑油脂壓力黏度系數；w為承受載荷；k為側面流動調節系數。

基于式(17)，可知油膜厚度一般為納米級。為確保油膜厚度，通過加入MoS2(二硫化鉬)等材料來提升油脂中的顆粒直徑，確保接觸表面有足夠厚度的油膜來分割摩擦對，進而抑制摩擦及其噪聲。使用改善后潤滑油脂方案的萬向節，進小批量裝車驗證，測試結果表明驅動軸6 階成分明顯降低，如圖7所示。參考表1的評分標準，主觀評價的平均分為7.2分，達到滿意效果。

圖7 改善后右側輪心振動階次分析Fig.7 Order analysis of improved right wheel center vibration

4 結論

本文針對某純電動前驅汽車急加速時驅動軸異響問題，測試了傳動軸及其周邊零部件振動，利用希爾伯特變換確定振動優先級至輪心，結合驅動軸的三銷軸式萬向節和球籠式萬向節的工作特性，進而確定異響為球籠式萬向節內部摩擦力導致。通過更改潤滑油脂的配方，改善萬向節內的潤滑，在實車上進行了有效性驗證。結果表明，通過改善萬向節內部潤滑，可有效解決驅動軸在大扭矩傳遞時內部的異響問題。簡短總結如下：

(1) 希爾伯特變換可用來識別結構振動傳遞的優先級和排序。

(2) 零部件之間的低頻撞擊和摩擦會產生高頻的振動和噪聲。

(3) 潤滑油脂對球籠式萬向節內部摩擦力有重要影響，合理化配比潤滑油脂是改善內部摩擦的一種高效方法。