汽車傳動系統轉向異響的試驗分析

張新宇 劉彥君 劉海龍 吳雪輝 孫煥強 趙鵬宇

（北京現代汽車有限公司技術中心）

隨著汽車行業的不斷發展和人民生活水平的提高，人們對汽車駕乘舒適性的要求也在不斷提高。在影響汽車駕乘舒適性的眾多因素中，異響是其中的重要因素。異響是指非正常、不必要的聲音，這些聲音令乘客感到厭煩、不安或不愉悅。因此，對汽車異響的控制變得尤為重要[1]96。汽車傳動系統是汽車中重要的系統之一，系統中某一零部件的異常通常會導致系統異常，產生異響，并且由于其結構的復雜性，很難確定異響的位置及原因。文章結合某試制車傳動系統中半軸異響的實際問題進行試驗分析，推斷并驗證異響產生的位置及原因，并針對產生原因進行解決，從而總結出汽車零部件異響的探測方法。

1 異響成因分析

1.1 異響情況初步確認

異響情況確認需要現場對問題點的相關信息進行全面的了解，包括異響發生時的工況及發生何種異響[1]96。通過現場實車測試，發現問題車在低速行駛轉彎打滿方向盤時有“嘚嘚嘚”的異響發生。當車速為20 km/h時，汽車異響尤為明顯。并且該異響只發生在轉向行駛時，當汽車直線行駛或者原地轉向時均無異響發生。

為了查找造成異響的部位，文章首先通過采用更換零部件的方法來確定引起異響的部件，具體分析步驟，如圖1所示。

圖1 汽車轉向行駛異響初步分析步驟

另外，因為該車右側半軸通過外球籠與車輪轂相接，通過內球籠與變速箱相接，因此為了準確找出異響位置，需要進行整車NVH（噪聲、振動、聲振粗糙度）試驗分析。

1.2 整車NVH試驗分析

整車NVH試驗對存在不明的、異常的噪聲振動進行測試，給出一定的主客觀評價結果。該試驗故障診斷的主要途徑從查找噪聲振動源和分析噪聲振動傳遞路徑入手，并找出問題的原因，提出解決方案[2]。

1.2.1 試驗方案

該試驗主要是確定異響的頻率范圍，并通過對比問題半軸汽車和正常半軸汽車在異響頻率范圍內的振動差異，初步判斷異響的位置。

根據對異響情況的分析，設置試驗工況為汽車擋位2擋，以20 km/h勻速行駛，進行左右轉彎行駛。

測點選取遵循近場測量的原則，再結合信號處理的方法對異響進行測量分析。由于初步認定異響與右側半軸有關，因此在車底右側半軸變速箱側和車輪側布置傳聲器和三向振動傳感器，同時在車內布置傳聲器，具體布置位置，如圖2～圖4所示。

圖2 汽車NVH試驗車內傳聲器位置示意圖

圖3 汽車NVH試驗半軸變速箱側傳聲器和振動傳感器位置示意圖

圖4 汽車NVH試驗半軸車輪側傳聲器和振動傳感器位置示意圖

以汽車的質心為原點，建立汽車坐標系。X軸與地面平行，指向汽車前方為正；Z軸與地面垂直，指向汽車上方為正；Y軸由副駕駛指向駕駛員方向為正。X，Y，Z就是三向振動傳感器采集振動頻率的3個方向，如圖5所示。

圖5 建立的試驗車坐標系示意圖

在試驗過程中，發現問題半軸汽車在左右轉彎行駛時，均有異響發生。

1.2.2 試驗數據處理與分析

試驗后，得到如圖6所示的噪聲頻譜圖。從圖6可以看出，紅色曲線高于綠色曲線，即問題汽車車內噪聲大于正常汽車的車內噪聲，對應的橫坐標為540～620Hz。為驗證異響頻率段是否正確，在頻譜加入帶阻濾波器，概率范圍為500～700 Hz。該帶阻濾波器工作后，回放噪聲信號，異響消失。因此，確定異響的頻率范圍是540～620 Hz。

圖6 汽車NVH試驗車內噪聲頻譜圖

振動頻譜是振動幅值隨振動頻率而變化繪制出來的振動曲線圖。在本試驗分析中，選取振動加速度（單位為m/s2）作為振動幅值，然后將振動加速度數據轉化為振動加速度級（單位為dB（m/s2）），得到如圖7和圖8所示的振動頻譜圖。

圖7 汽車NVH試驗半軸車輪側振動頻譜圖

圖8 汽車NVH試驗半軸變速箱側振動頻譜圖

從圖7可以看出，在異響頻段（540～620 Hz）內，紅色曲線的振動幅值均大于綠色曲線的振動幅值，2條曲線有單峰值出現，并且2條曲線的峰值之間相差較多。說明問題半軸車輪側的X，Y，Z向的振動在異響頻段內的峰值變化明顯。

從圖8 a和圖8 b可以看出，紅色曲線與綠色曲線在異響頻段內無明顯差異，說明問題半軸與正常半軸變速箱側的X，Y方向的振動在異響頻段內沒有明顯差異。從圖8 c可以看出，紅色曲線的振動幅值明顯大于綠色曲線的振動幅值，但2條曲線較為平順。說明問題半軸與正常半軸變速箱側的Z軸方向的振動在異響頻段內有明顯區別，但2條曲線較為平順，峰值變化不明顯。因此排除變速箱側是異響位置的可能性，推斷異響的位置是半軸車輪側。

1.2.3 試驗結論

經過上述試驗分析，發現該轉向行駛異響在汽車左右轉時均有發生，異響的頻段為540～620 Hz，并且異響位置是在半軸車輪側。結合異響出現的工況，即20 km/h車速轉向行駛，推斷發生異響的原因可能是半軸的材質和結構異常，使其在該工況下地面傳遞的振動導致半軸發生共振。為了驗證該推論，需進行半軸模態試驗，對其模態參數進行分析。

1.3 半軸模態試驗分析

模態分析方法是了解某一部件在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性試驗，將采集的測試數據應用相關的識別方法，識別系統的模態參數，進而為系統的動力學特性分析提供依據[3]。同時，模態分析能夠為振動系統的故障診斷提供數值依據。

分別對問題半軸和正常半軸進行模態試驗，如果試驗結果有顯著差異，則說明問題半軸的材質和結構相較于正常半軸存在異常。以此檢驗異響發生原因是否與半軸的材質和結構因素有關。

圖9示出將2個半軸按照試驗要求吊起的裝置示意圖。根據半軸結構情況建立空間直角坐標系，并在其上選擇10個測量點，建立幾何模型。采用移動力錘法對試驗半軸施加全頻段激勵，測量每個點的X，Y，Z向的振動數據。

圖9 半軸模態試驗裝置示意圖

對試驗得到的數據進行處理，利用LMS軟件，根據穩定數據點S，分別選取半軸的1階、2階及3階模態，其振型示意圖，如圖10所示，最終測得半軸模態數據，如表1所示。

圖10 半軸彎曲模態試驗振型示意圖

表1 半軸彎曲模態試驗數據表 Hz

從表1可以看出：問題半軸與正常半軸的1階彎曲模態相差2 Hz，2階彎曲模態相差1 Hz，3階彎曲模態相差4 Hz，且各階模態振型均相似。排除試驗誤差，問題半軸與正常半軸模態結果無顯著差異，且由于半軸內外球籠組件自由度的影響，該結果的差異在試驗允許誤差范圍內。另外，由整車NVH試驗分析可知，異響的頻段為540～620 Hz，以上3種階次的模態參數均不在該范圍內。由此可知，異響發生時問題半軸并沒有出現共振。因此，問題半軸與正常半軸的材質和結構無顯著差異，能夠排除其是導致異響的可能性。

同時，根據整車NVH試驗的結果，異響位置在半軸車輪側，因此對半軸進行拆解分析，檢查其內部是否存在異常。

1.4 半軸拆解分析

選取3個問題車半軸和1個正常車半軸進行拆解，這4個半軸的外球籠編號：正常件為4Y4MA5；異響件分別為4Z2JB5，4Y4NB6，4Z1JB4。拆解后對半軸各部件進行參數測量和表面分析，內外球籠的組成部件，如圖11所示。

圖11 半軸內外球籠拆解示意圖

參數測量后發現，問題件與正常件的關鍵尺寸均在公差范圍內。對各部件進行表面分析后發現：正常半軸的半軸直桿、減振塊及內外球籠均無明顯異常；而問題半軸的外球籠有明顯的磨損，其余部件均無異常。

對正常外球籠和存在異響的外球籠的鋼珠和滑軌的磨損情況進行對比分析，具體情況，如圖12和圖13所示。從圖12和圖13可以看出，正常件的鋼珠完好，沒有磨損；滑軌沒有明顯痕跡。編號為4Z2JB5的異響件的一顆鋼珠有點蝕；滑軌有明顯摩擦痕跡。編號為4Y4NB6的異響件的一顆鋼珠有點蝕；滑軌有明顯痕跡。編號為4Z1JB4的異響件的3顆鋼珠有點蝕；滑軌有明顯痕跡。并且每個點蝕鋼珠的磨損點有2處，呈對稱分布（與滑軌兩側的接觸點），這種現象稱為對稱點蝕。

圖12 汽車半軸外球籠鋼珠和滑軌磨損對比圖

圖13 編號4Z1JB4（異響件）外球籠鋼珠和滑軌磨損對比圖

對半軸進行拆解分析后發現，3組異響件均發現有點蝕的鋼珠，而且這些鋼珠都是對稱點蝕。異響件外球籠外殼內側滑軌出現明顯磨損，編號為4Z1JB4的異響件的滑軌磨損最為明顯。這充分說明半軸車輪側外球籠內部狀態存在異常。

1.5 轉向行駛異響原因確定

經過半軸拆解試驗，確定了問題汽車半軸車輪側外球籠內部狀態存在異常。結合對異響情況初步確認的結果，當正常汽車半軸換至問題汽車，即外球籠正常時，問題汽車的異響消失。因此，可以確定異響位置在半軸車輪側外球籠，且其內部狀況異常導致異響發生。

在此基礎上廠家進行查證，確認異響位置為半軸外球籠處，與試驗分析后得到的結論一致。同時對問題半軸外球籠進行調查，確定異響的根源為外球籠內輪滑軌外徑超差2.3%，遠大于可接受的誤差（0.2%），使其在轉角極限情況下產生間隙，導致異響。

2 結論

由于汽車本身系統結構復雜，產生異響后很難快速定位異常的部位，對于此類問題，文章以某試制車傳動系統轉向異響問題為例，通過一系列試驗分析，逐步縮小異響零部件范圍，排除可能導致異響的因素，最終確定了異響的位置及原因。

對所用試驗方法進行總結可以得出：1）通過排除法，更換異響部位零件，可以快速確定異響發生的大致位置，從而提升試驗分析的效率。2）整車NVH試驗可以有效地獲取異響噪聲及振動的頻域特性，并進一步對異響的位置及成因進行判斷。同時，其數據還可以提供給其他試驗進行對比分析。3）針對不同原因引起的零部件異響，模態試驗可以有效識別系統的模態參數，即系統的固有頻率、阻尼比及振型等，進而對零部件材質及結構因素進行分析；而零部件的拆解分析可以更直觀地了解其內部狀態是否異常，確定異響成因。

以上結論對汽車零部件異響問題的解決有著重要意義。綜合運用以上結論，并輔以相關試驗分析，不僅可以幫助零部件廠商進行產品質量的把控，而且可以避免問題汽車流入市場，造成不良影響。同時，文章也增加了對此類問題解決的經驗，對未來工作起到了很好的借鑒作用。