一种驱动轴设计开发及多个问题解决

栗娟

[摘    要]新车辆驱动轴即半轴开发过程中，由于仿真计算无法模拟现实中全部工况，导致样件制作出来装车后在试验过程中出现种种意想不到的问题，文中通过多个实例列举了加速横摆、空心管断裂、高原地区护套脱落等故障的解决方案，辅以改善后的实测结果，对各问题产生的机理和根本原因进行深入分析。

[关键词]加速横摆;中心焊;护套脱落

[中图分类号]TB12 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–00–04

Design and Development of a Drive Shaft and Solutions to Several Problems

Li Juan

[Abstract] During the development of new vehicle drive shafts， i.e. half shafts， simulations cannot simulate all working conditions in reality， resulting in various unexpected problems in the test process after the sample is made and loaded. Through several examples， this paper lists the solutions to the faults such as accelerating yaws， broken hollow pipes， and sheaths falling off in plateau areas， supplemented by the improved measured results. The mechanism and underlying causes of each problem are deeply analyzed.

[Keywords]accelerating yaw; center welding; sheath falling off

随着架构化和平台化在车辆研发中成为常态，开发适用于整个平台或跨平台的驱动轴（以下简称“半轴”）是当前非常迫切的需要。但是往往跨平台的结果会出现超越设计带宽而导致的各种问题。同时，目前人们对车辆NVH要求越来越高，提升驱动轴性能成为一个很有意义的研究课题。

1 加速横摆

1.1 横摆问题产生原因和机理

横摆现象：车辆在大油门起步及D、M1和M2档情况下，在车速30 km/h左右整车会发生横向抖动。

产生原因：半轴的轴向派生力及三阶转频激发了动力总成Y向模态发生共振，从而使整车在Y向发生抖动（横摆）。在横摆最大点对应半轴（轮胎）转速为250 r/min，半轴内球笼为三销滚轮结构（AAR节），该结构不能完全消除内部结构之间的相互作用力，最终会在轴向（Y向）产生一个三阶作用合力。在该转速下对应的频率为250/60×3=12.5 Hz，而测的目前悬置系统下的动力总成Y向模态为12.6 Hz。

轴向派生力产生机理（图1）：由于半轴的三销轴结构的不对称设计（图2），使半轴在旋转过程中三个滚轮在滑套内往复移动产生的力不能相互抵消，最终使半轴在轴向（Y向）会产生一个派生力。

1.2 车辆实际状态检查

1.2.1 半轴角度（93#）

由表1可知，除了CURB5下的外球笼夹角存在异常外，其他都在范围内（夹角范围是由底盘及悬置提供的相关参数计算而来）。

外球笼由于整车装配关系，能用的扫描面积较小，处理数据时拟合度不是很理想，找轴心可能会存在些偏差，内球笼处拟合度很好，角度偏差很小。

1.2.2 前悬架轮眉高度（93#）

前悬架轮眉高度在设计公差范围内，偏正向公差;由于左右侧轮荷差异28 kg，右侧轮眉高度高于左侧。根据底盘提供的在curb2，WOT起步工况下，得出轮心下跳25～28 mm，以及在WOT情况下悬置的运动量，得出主减位置。计算得出半轴在该状态下左轴内端夹角为7.412°～7.83°，外端夹角为8.129°～8.546°，右轴内端夹角为7.677°～8.103°，外端夹角为8.588°～9.031°。

1.3 改进方向

从激励的振幅和频率方向进行优化：半轴更换摩擦系数更低的油脂，降低轴向派生力;悬置调整Y向刚度，避开半轴的三阶激振频率;悬架螺簧一致性控制，减小半轴安装角度偏差，使半轴角度一致性得到控制。

降轮眉：通过压缩减振器弹簧缩小轮心至轮眉高度;curb0下降高度由左前442 mm右前445 mm至左前430 mm右前430 mm。

综合1、2挡验证效果，横摆问题方案贡献排比：换半轴油脂（提升1.5分）>哈金森悬置（提升0.75分）>降轮眉高度（提升0.25分）。

四挡方向盘高速抖动案验证贡献排比：换半轴油脂（提升 1.25分）>哈金森悬置（提升0.5分）=降轮眉高度（提升0.5分）。

拓普新悬置在111#车表现和拓普老悬置相差不大，表现不好。

（1）悬置方向。①更换半轴后，横摆问题明显改善。②拓普锁定的悬置和和金森最优悬置對横摆都有明显改善。③拓普右悬置中间值Y向限位塞死、拓普左悬置上偏差Y向限位塞死和拓普右悬置中间值、左悬置上偏差有明显改善，两者效果基本一致。④拓普右悬置中间值Y向限位塞死、拓普左悬置上偏差Y向限位塞死的方案在吉利测试后和原来锁定的效果一致，并无明显改善。总之，横摆问题经过悬置系统调试，无明显改善。

（2）螺簧方向。降轮眉：通过压缩减振器弹簧缩小轮心至轮眉高度;curb0下降高度由左前442 mm右前445 mm至左前430 mm右前430 mm已经接近设计下限428 mm，能够提升0.25分，不明显。实际操作过程中无法保证且会影响通过性能，针对现在的样件普遍偏上值的情况进行往设计中值控制，保证一致性，是半轴角度一致性得倒保证。样件已经达到工厂基地，TT2装车已经体现。

（3）半轴方向。根据组合测试报告，半轴这块贡献最大，横摆问题主要也是由半轴三阶轴向派生力引起的。①综合1、2挡验证效果，横摆问题方案贡献排比：换半轴油脂（提升1.5分）>哈金森悬置（提升0.75分）>降轮眉高度（提升0.25分）。②四挡方向盘高速抖动案验证贡献排比：换半轴油脂（提升1.25分）>哈金森悬置（提升0.5分）=降轮眉高度（提升0.5分）。③半轴内端节油脂有现有的CVJ5油脂更换为摩擦系数更低轴向派生力更小的CXD-150油脂，轴向派生力改善明显且一致性较好。

1.4 实车一致性验证

在工厂基地更换了新半轴TT车辆编号112#、116#、118#，实车工厂问题提出者主观可以接受。

在研究院更换TT140#、TT111#为新油脂半轴进行一致性验证，对横摆问题改善明显，一致性较好。

目前VEP4 7DCT横摆最明显，见图3;VEP4 8AT要轻微很多，见图4。

客观测试结论：

（1）四套VEP4 7DCT CXD150半轴横摆问题一致性验证，横摆问题1挡车内座椅导轨车轮三阶客观振动在0.11±0.05 m/s2，大油门在0.05±0.02 m/s2，主观驾评在6.5～7分，一致性较好;2挡车内座椅导轨车轮三阶客观振动轻油门在0.08±0.04 m/s2，大油门在0.05±0.02 m/s2，主观驾评在6.75～7分，一致性较好。

（2）四套VEP4 7DCT CXD150油脂半轴高速抖动问题的表现：仅换油脂半轴方案，车内方向盘车轮三阶振动幅值为0.88 m/s2，主观驾评6.5分;在降轮眉和哈金森悬置条件下，车内方向盘车轮三阶振动幅值在0.50±0.05 m/s2，主观驾评在6.75～7分，一致性较好。

客观验证结果：

（1）综合1、2挡测试数据，更换油脂半轴对整车横摆问题改善明显。

（2）四挡加速工况下，更换油脂半轴对方向盘高速抖动有改善。

主管驾评结论：更换油脂半轴后整车横摆明显改善，主观评价提升1分;四挡方向盘高速抖动有所改善，但主观评价仍有轻微抖动。

注：油脂需磨合，根据一致性测试，需磨合40 min左右。行业内轴向派生力测试也是在测试前对油脂进行磨合使其润滑充分，磨合好后不需要再进行任何操作。

3 三段焊空心管裂纹

3.1 驱动轴焊缝处断裂问题产生原因和机理

问题：右半轴焊缝处断裂。

原因：轴头跟空心管摩擦焊接触面处淬火后应力集中存在裂纹，磁粉探伤没有检出。

（1）部分零件焊缝处出现两种热处理参数，导致断口处不同金相组织产生应力集中。

（2）100%的磁粉探伤没有遏制住缺陷件的流出。

3.2 临时措施

（1）摩擦焊后增加回火工艺消除内应力。

（2）焊缝处调整为一种热处理参数。

（3）热处理后增加首末件弯曲强度检测。

（4）磁粉探伤由单条线100 %检查增强为200 %（两条线各100 %）。

（5）下线件每60件抽检一次预静扭强度检测。

3.3 永久措施

空心管直径加粗2 mm（保证强度），同时取消空心管跟焊缝的中频淬火工艺。解决方案的结构如图5所示。

3.4 试验结果

新旧方案对比试验结果如表3所示。

3.5 临时认可结论

（1）针对空心管工艺优化的永久方案，临时认可必做的5项相关试验已全部完成，均满足试验规范要求。

（2）建议批准签发临时ESER，并由SQE批准临时PSW。

4 护套脱落

4.1 高海拔地区护套脱落问题产生原因和机理

拉萨地区试验出现驱动轴护套脱落的根本原因：①驱动轴移动节防尘罩内外压差导致，内外压差400～500 HPa，持续对护套形成外张力，当护套与球笼配合部位存在油脂渗入时发生护套脱出。备注：已通过涂抹油脂并增加压差500 HPa的方式复现案例：涂抹油脂时护套可承受拉托力下降为200～300 N（要求>600 N），压差500 HPa条件下护套脱出;未涂抹油脂时压差加强至1 500 HPa护套不发生脱出。②驱动轴移动节滑移量大。轮边及动力总成位移量通过驱动轴移动节滑移吸收，大滑移量情况增加，移动节内油脂渗入护套与球笼配合部位概率，加大了护套脱出可能。这两个因素综合导致发生驱动轴移动节防尘罩护套脱出问题。

4.2 解决方案

（1）一体式防尘罩+加强型卡箍（型号：192型号，规格为91.5-1008R3W）。设计依据：防尘罩CAE应力仿真以及拉托力试验。

（2）一体式防尘罩极限应力情况较分体式防尘罩变差（有风险，但可控）。

（3）一体式防尘罩极限应力均不超过耐久线（<13.5 MPa）以及强度线（<23 MPa）（无风险）。

（4）一体式防尘罩拉托力（>1000 N）远大于原分体式防尘罩（>600 N）（无风险）。

4.3 试验验证

8 000 km環路专项验证（防尘罩打压500 Hpa+右驱动轴取消挡环+一体式防尘罩）以及台架验证。

（1）试验过程中无防尘罩脱出或右轴三叉脱出情况。

（2）拆解报告显示滑移量最高50 mm，但无磕碰挡环无渗油情况。

（3）路试后样件防尘罩拉托力为1 300 N。

（4）台架验证良好（高低温耐久，低温冷启动，胶套膨胀量）。

5 结束语

笔者尝试在一款全新驱动轴研发过程中，为保证开发进度，仿真分析和经验数据并行进行，在试验中扩大样本量发现并解决问题，临时措施和永久措施分别按计划实施，以确保整个项目按时交付。研发过程中的经验和教训值得记录并形成指导经验，用于之后新产品的研发。

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