白楊翼，武俊杰，辛萬濤

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著傳統(tǒng)燃油汽車數(shù)量的不斷增長，帶來的不僅是國家生產(chǎn)方式的變革以及人們生活方式的改變，更是日益嚴(yán)重的能源緊缺與環(huán)境污染問題。汽車能源與環(huán)境問題是當(dāng)今全人類面臨的一大挑戰(zhàn)，純電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。隨著純電動(dòng)車的發(fā)展與普及，人們不再僅僅關(guān)注電動(dòng)汽車的續(xù)航里程以及其能源的清潔性，而是越來越多地關(guān)注電動(dòng)汽車的乘坐舒適性。而電動(dòng)汽車振動(dòng)噪聲性能則直接影響駕駛者與乘坐者對(duì)車輛舒適性的感受與評(píng)價(jià)。汽車的振動(dòng)噪聲性能(NVH)指的是車輛的噪聲(Noise)、振動(dòng)(Vibration)以及聲振粗糙度(Harshness)的綜合表現(xiàn)。

本文作者針對(duì)某純電動(dòng)SUV在急加速至50～70 km/h時(shí)整車抖動(dòng)問題進(jìn)行分析，確認(rèn)問題原因及整改方向，最后通過最低成本方案解決整車抖動(dòng)問題。

1 問題原因及機(jī)制分析

1.1 問題特征分析

某前置前驅(qū)純電動(dòng)SUV車型在急加速至50～70 km/h時(shí)，整車存在明顯的橫向抖動(dòng)現(xiàn)象，并且車輛空載時(shí)比滿載時(shí)更嚴(yán)重。利用NVH測試專用軟件LMS Test. Lab 16A來測量車內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在座椅導(dǎo)軌位置布置振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。通過軟件將時(shí)域信號(hào)throughput進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析。車內(nèi)座椅導(dǎo)軌振動(dòng)頻率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化Colormap彩圖分析結(jié)果如圖1所示。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000～4 500 r/min(對(duì)應(yīng)車速50～70 km/h)下，整車抖動(dòng)問題特征主要為0.36階次振動(dòng)引起，同時(shí)對(duì)座椅導(dǎo)軌振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行0.36階次切片提取，得到座椅導(dǎo)軌階次振動(dòng)曲線，如圖2所示，在3 000～4 500 r/min轉(zhuǎn)速下有明顯峰值。

1.2 產(chǎn)生機(jī)制分析

由上述數(shù)據(jù)分此推斷，該問題主要與旋轉(zhuǎn)部件相關(guān)，進(jìn)一步分析可知輸出軸旋轉(zhuǎn)1階：電機(jī)階次/減速器速比=1/8.28=0.12階，0.36階則為0.12階的3倍頻次，驅(qū)動(dòng)軸三球銷式萬向節(jié)(移動(dòng)節(jié))由于存在3個(gè)球環(huán)的結(jié)構(gòu)而具有三階特性，因此鎖定振動(dòng)激勵(lì)源為驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)。與驅(qū)動(dòng)半軸三銷式球籠相關(guān)，驅(qū)動(dòng)半軸移動(dòng)端球籠如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)半軸移動(dòng)端球籠結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)車急加速工況，由于電驅(qū)總成質(zhì)量小、扭矩大、驅(qū)動(dòng)軸夾角變化相對(duì)傳統(tǒng)車更明顯，傳動(dòng)軸夾角如圖4所示。普通的GI節(jié)驅(qū)動(dòng)半軸隨夾角的增大，軸向派生力(GAF)也逐漸增大。而軸向派生力由三銷節(jié)總成相對(duì)于外殼球銷的摩擦力產(chǎn)生的內(nèi)部力引起，其大小取決于移動(dòng)節(jié)的角度和扭矩，關(guān)系如圖5所示，相同扭矩下，隨著傳動(dòng)軸夾角增加軸向派生力增大。因此，由于空載狀態(tài)夾角相對(duì)滿載狀態(tài)半軸夾角大，整車橫擺抖動(dòng)更明顯。

圖4 傳遞軸夾角示意

圖5 GI節(jié)軸向力大小與夾角、扭矩的關(guān)系

1.3 傳遞路徑分析

根據(jù)初步分析的結(jié)果，進(jìn)一步從傳遞路徑進(jìn)行分析，主要傳遞分析路徑如圖6所示，根據(jù)主要傳遞路徑，監(jiān)測的相關(guān)振動(dòng)點(diǎn)：左右傳動(dòng)半軸軸頭端，3個(gè)懸置系統(tǒng)車身側(cè)，減振器車身側(cè)，座椅導(dǎo)軌側(cè)。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，各個(gè)傳遞路徑貢獻(xiàn)基本相當(dāng)，無明顯存在共振放大的路徑，同時(shí)考慮到驅(qū)動(dòng)半軸與其他部件干涉等問題，整車半軸角度無法更改，因此該問題需要從激勵(lì)源上進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 主要傳遞路徑分析

2 方案優(yōu)化效果

2.1 優(yōu)化方案說明

為了減小軸向力，將驅(qū)動(dòng)半軸球籠結(jié)構(gòu)由原來的GI節(jié)切換為ARR節(jié)，將滑動(dòng)摩擦點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化為面接觸的滾動(dòng)摩擦，減小分力。驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)的種類較多，其中比較典型的有兩種：三銷節(jié)(GI型)和高效節(jié)(AAR型)。ARR節(jié)型其主要差異是相對(duì)GI節(jié)型多了一組軸承內(nèi)圈，軸承內(nèi)圈可以繞三銷架球形頭部自由回轉(zhuǎn)，當(dāng)萬向節(jié)帶角度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，AAR節(jié)型相對(duì)GI節(jié)型多一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，回轉(zhuǎn)更靈活，滑移阻力更小。內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比圖如圖7、圖8所示。兩種節(jié)型的軸向派生力隨角度變化關(guān)系對(duì)比如圖9所示，可以看出，ARR節(jié)型受角度變化影響較小。

圖7 GI節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖8 ARR節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖9 GI節(jié)與AAR節(jié)軸向力與工作角度關(guān)系對(duì)比

2.2 優(yōu)化效果驗(yàn)證

通過更換ARR節(jié)型結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)半軸后，對(duì)比分析可知，某純電動(dòng)車在急加速工況下，座椅導(dǎo)軌0.36階振動(dòng)明顯的降低，主觀無明顯振動(dòng)，該電動(dòng)車抖動(dòng)問題已解決。對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

圖10 更換ARR節(jié)型前后座椅導(dǎo)軌0.36階振動(dòng)對(duì)比

2.3 降本方案驗(yàn)證

考慮到同時(shí)更換ARR高性能長短半軸，對(duì)單車成本增加較多，因此做如下3種方案對(duì)比：(1)長短半軸均更換ARR節(jié)；(2)僅短半軸更換ARR節(jié)；(3)僅長半軸更換ARR節(jié)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案2只有短半軸更換ARR節(jié)效果優(yōu)化效果明顯，與長短半軸同時(shí)更換主觀優(yōu)化效果相當(dāng)，如圖11、圖12所示。同樣也驗(yàn)證了短半軸在急加速工況下夾角更大，軸向力更大，為主要的貢獻(xiàn)源。并且通過半軸其他性能確認(rèn)，無其他性能的負(fù)面影響，該降本方案可行。

圖11 不同方案ARR節(jié)半軸優(yōu)化效果對(duì)比map圖

圖12 不同方案ARR節(jié)半軸優(yōu)化效果0.36階振動(dòng)對(duì)比

3 結(jié)論

文中主要針對(duì)某純電動(dòng)SUV急加速50 km/h以上整車橫向抖動(dòng)問題進(jìn)行了路徑分析和原因排查，確認(rèn)主要是由于原GI節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)半軸，滑動(dòng)摩擦力較大引起軸向力較大，導(dǎo)致整車抖動(dòng)。通過更換ARR高效節(jié)驅(qū)動(dòng)半軸解決該抖動(dòng)問題。為了進(jìn)一步降低開發(fā)成本，尋求降本方案，對(duì)新舊驅(qū)動(dòng)半軸不同組合方案的對(duì)比，最終得出單獨(dú)更換短半軸優(yōu)化效果與全不更換長短半軸相當(dāng)，主觀無明顯抖動(dòng)現(xiàn)象同時(shí)不影響其他性能，該降本方案可行。