某前驅車輪端起步粘滑異響分析與控制

岳川元，楊誠，張軍，楊朝，沈蜜

某前驅車輪端起步粘滑異響分析與控制

岳川元1，楊誠1，張軍3，楊朝2，沈蜜4

(1. 重慶大學汽車工程學院，重慶 400044；2. 重慶大學汽車協同創新中心，重慶 400044；3. 吉利汽車研究院，浙江杭州 310000；4. 重慶長安汽車股份有限公司歐尚汽車研究院，重慶 400023)

某前驅車型在起步過程中驅動輪端出現“咔噠”異響，問題發生頻次較高，嚴重影響整車品質。對異響現象進行分析最終確定是輪轂軸承與驅動半軸接觸端面粘滑振動引起，在粘滑過程中接觸端面由靜摩擦向滑動摩擦轉變時接觸面間摩擦系數突變產生軸向沖擊力誘發異響。通過建立合理的物理模型，分析粘滑運動過程中相關的正壓力、滑動摩擦系數、靜摩擦系數等參數的影響，利用一種特制減摩墊圈，進而改變傳動零部件接觸端面的動態摩擦特性，有效解決了該車型驅動輪端起步異響的問題。目前，國內外針對車輛傳動系統中粘滑摩擦的研究較少。該研究對新車型傳動設計過程中類似的粘滑異響處理有積極的借鑒和參考意義。

驅動半軸；輪轂軸承；摩擦學；粘滑摩擦

0 前言

隨著汽車技術的發展，人們對汽車的振動噪聲問題更加關注。汽車動力傳動系統作為汽車的重要組成部分，由于其結構復雜性導致的振動噪聲問題往往是汽車噪聲和異響的主要來源之一[1]，這些噪聲及異響問題不僅會影響駕駛員以及乘客的乘坐舒適性，甚至會涉及到車輛的安全性能。而在離合器以及其他動力傳遞的機械系統中，接觸式旋轉體是使用較廣泛的一種結構設計。在實際工作狀態下，經常由于旋轉摩擦而產生粘滑振動及噪聲。在特定的條件下，兩個接觸表面間周期性出現粘滯-滑動現象，且二者產生的摩擦力不是一個定值，通常將這種振蕩摩擦現象稱為粘滑現象。存在于機械傳動結構中的粘滑振動現象，會對存在摩擦的工作系統產生很嚴重的影響，甚至導致破壞，如伸縮花鍵、雨刮器、高精度機床等都易產生粘滑問題[2-4]。SPENCER等[2]就利用在花鍵中添加油脂的工程措施解決了傳動系統中的粘滑振動異響問題。對于粘滑摩擦現象通?？刹捎脝巫杂啥荣|量塊-彈簧模型、懸臂梁-摩擦盤模型等進行說明[5-9]。

通過對該車型異響發生部位進行排查分析發現，該異響是由輪轂軸承與驅動半軸接觸結合面間發生旋轉摩擦誘發產生的粘滑振動異響。本文通過建立合理的物理模型，分析粘滑運動過程中相關的正壓力、滑動摩擦系數、靜摩擦系數等參數的影響，利用一種特制減摩墊圈，進而改變傳動零部件接觸端面的動態摩擦特性，有效解決了該車型驅動輪端起步異響問題。同時也提出了多種工程化解決措施，通過對該車型起步異響機理的研究，以及相應的解決措施，對以后新車型傳動設計過程中類似的粘滑異響處理有借鑒和參考意義。

1 現象闡述

通過特定實驗方法對某車型的噪聲、振動與不舒適性(Noise、Vibration and Harshness, NVH)性能進行綜合評價，在車輛起步的時候，實驗過程中明顯能感受到一聲或兩聲短暫、尖銳的“咔噠”異響聲，主觀感受該異響聲音來自于驅動輪附近區域，從動輪位置不會發生異響聲。分批次抽取多臺車輛進行的起步異響評價表明，異響發生頻率較高。為了確定異響的產生部位，本文根據圖1所示方案，采用以現場實時試驗為主，采集實驗數據進行離線回放為輔的主觀評價方法查找異響來源。根據判斷結果，初步判定該異響聲音來自驅動輪轉向節附近。

圖1 異響主觀評價方法

采用B&K公司的振動噪聲測試設備進行數據采集，在轉向節部位布置振動加速度計和近場傳聲器，如圖2所示。并通過控制局域網絡(Control Area Network, CAN)總線采集發動機轉速、發動機指示真實扭矩、擋位等信息進行分析。

對異響車輛進行多次起步操作并采集數據，從如圖3所示的原車時域振動特性圖中，可以看出振動加速度曲線中存在多次沖擊特征，如在第20 s時刻，發動機轉數為1 141 rpm、指示扭矩為25%時振動幅值出現突變，振動幅值約為5 g并伴隨“咔噠”異響產生，近場傳聲器聲壓曲線中也在同時刻出現幅值突變現象。

圖2 傳感器布置點

圖3 原車時域振動特性 Fig.3 Time domain characteristics of vehicle vibration 2 車輪端起步異響排查 因為根據主觀評價結果，判斷異響發生在驅動輪部位，因此考慮時與驅動輪相關聯的部件進行排查。將驅動半軸拆卸后可見在驅動半軸與輪轂軸承接觸面存在明顯摩擦痕跡，初步判定異響為該接觸面旋轉摩擦產生。為進一步確定異響是由驅動半軸與輪轂軸承接觸接合面旋轉摩擦產生，對驅動半軸鎖緊螺栓力矩進行調整(工裝狀態下鎖緊力矩為270 N·m)，觀察異響變化情況。不同鎖緊力矩下異響的變化情況如表1所示，根據異響的變化情況，最終確定驅動半軸與輪轂軸承接觸面旋轉摩擦即為異響源。 表1 不同鎖緊力矩下異響變化情況表 Table 1 Variation of abnormal noise under different locking torques 試驗編號鎖緊力矩Tω/(N·m)異響變化情況 1320明顯 2270明顯 3220明顯 4170明顯 5120輕微 6 70無異響 7 20無異響 車輛在起步過程中，發動機輸出扭矩通過離合器、變速器、傳動軸等傳動系統部件傳遞動力至車輪實現起步功能。在起步時，異響可通過空氣、結構傳遞至車內，傳遞路徑如圖4所示，因此考慮從異響源和傳遞路徑方向進行分析控制。 圖4 輪端異響傳遞路徑 Fig.4 Transmission path of “click” noise at the wheel end 3 起步異響產生機理分析 根據驅動半軸與輪轂軸承裝配結構，可以看出驅動半軸與輪轂軸承之間通過花鍵連接并配合緊固螺栓固定，且與驅動半軸軸肩相接觸，如圖5(a)、5(b)所示。 (a) 示意圖 (b) 結構圖 圖5 驅動半軸與輪轂軸承裝配示意圖 Fig.5 Assembly diagram of driving half shaft and hub bearing assembly 由于驅動半軸上的外花鍵與輪轂軸承內花鍵存在配合間隙，且花鍵在起步扭矩沖擊下將產生微小彈性變形，二者誤差累積，則驅動半軸軸肩與輪轂軸承端面會產生微小的相對位移。因此，在起步扭矩沖擊下有發生粘滑運動風險。由于驅動半軸與輪轂軸承通過緊固螺栓聯結，螺栓鎖緊力矩與接觸面摩擦系數、正壓力等存在如下關系： (1) 其中：是緊固螺栓鎖緊力矩，單位為N·m；是摩擦系數；是正壓力，單位為N；D是鎖緊螺栓直徑，單位為mm； 當從原地起步時，若半軸輸出扭矩遠大于螺栓鎖緊力矩，則二者的結合面之間將會發生相對滑動，由靜摩擦轉變為滑動摩擦。螺栓鎖緊力矩與螺栓直徑D為常數，則正壓力與摩擦系數成反比： 11月2日，中國人民銀行發布了《中國金融穩定報告（2018）》，對2017年以來我國金融體系的穩健性狀況進行了全面評估。報告認為，2017年以來特別是進入2018年，世界政治經濟格局發生深度調整變化。外部不確定性的增加，使得中國經濟金融體系面臨的外部環境日趨復雜。即便如此，在世界主要經濟體中，中國經濟仍然保持了較高增長水平，而且隨著防范化解重大風險、精準脫貧、污染防治三大攻堅戰的展開，經濟增長質量持續改進，供給側結構性改革在復雜多變的環境中持續向前推進，中國金融體系彈性增強，金融運行總體穩定。 (2) 對于干摩擦表面，不同鋼材之間摩擦系數[10]如表2所示，可以看出不同材料組合的靜、滑動摩擦系數差別較大。此外，起步時間越短，靜摩擦狀態下儲存應變能釋放時間越短，則產生的沖擊作用越大。同時，對比在有油脂潤滑狀態下，靜、滑動摩擦系數改變量很小，因此軸向正壓力改變量小引起的沖擊異響不明顯，這也解釋了為何潤滑劑能夠抑制摩擦現象。 方干又有詩《題龜山穆上人院》，據《宋高僧傳·越州妙喜寺僧達傳》載：“釋僧達姓王氏，會稽人也，稚齒英奇不參戲，參與龜山妙喜道場?！庇钟小端胃呱畟鳌ぬ坪橹輰殮v寺幽玄傳》：“未幾移居湖心龜山妙喜古寺。”[11]可知龜山便處于鏡湖當中。 表2 摩擦系數表 Table 2 List of friction coefficients 材料一材料二靜摩擦系數滑動摩擦系數 干摩擦油脂潤滑干摩擦油脂潤滑 低碳鋼低碳鋼0.74-0.570.09～0.19 高碳鋼高碳鋼0.780.05～0.110.420.029～0.12 為了研究的便利，本文將該摩擦模型簡化為懸臂梁和旋轉體的接觸結構模式，如圖6所示。 圖6 摩擦模型示意圖 Fig.6 Diagram of friction model 此外，本文對該簡化模型進行如下假設： (1)失重實驗。實驗所用N80碳鋼試片尺寸為30 mm×15 mm×3 mm，模擬地層水溶液通高純CO2除氧，使溶液中CO2飽和，在模擬現場最苛刻工況(60℃、CO2分壓4 MPa)的條件下進行靜態高溫高壓釜掛片實驗72 h。腐蝕速率按式(3)計算。 (1) 懸臂梁整體質量等效懸臂梁端質量塊； “資金、技術、企業、人才”是農業建設發展建設過程中不可或缺的四大元素。會上，國務院參事室特約研究員、原農業部黨組成員、總經濟師張玉香，墨西哥農業部駐華代表處公使卡洛斯·阿爾德科，日本駐華大使館經濟部官員山本裕介，清華大學農村研究院首席專家、發改委農村經濟司原副司長方言，國家發展和改革委員會宏觀經濟研究院副院長馬曉河等嘉賓先后進行了發言。 (2) 懸臂梁的運動為微變形。 紫外分光光度法是根據芝麻油中的木脂素等物質的特征吸收峰不同從而進行定性定量分析的一種方法。朱杏冬等[22]采用紫外分光光度法檢測芝麻油純度，操作簡單，試劑用量少且精密度較高，其含量與波多因改進法相似。倪瀾蓀等[23]以正己烷為溶劑測定284 nm處的吸光值，以棉籽油、花生油等做標準加入回收實驗且回收率為97.1%，檢測精度可以達到0.2 mg/kg。 通過理論分析旋轉摩擦誘發質量塊粘滑運動規律[11-16]，本文僅考慮梁在接觸面摩擦力的作用下沿y向運動，集中質量塊也跟隨著做相同的運動，懸臂梁在此時產生的彈性變形形成了一定大小的恢復力，當該恢復力與靜摩擦力和重力之和等大反向時，該粘滑運動過程中的初次粘滯期結束，此時滿足條件： (3) 其中，k代表懸臂梁的剛度值大??；代表初次粘滯結束時質量塊的坐標。 在初次粘滯期結束以后，該集中質量塊還具有一定大小的速度值，根據運動學的慣性定理可知，該集中質量塊將會順著y軸向下產生一定距離的滑動位移，此時滿足條件： (4) 令，根據初始條件可解方程得： (5) 其中，E為懸臂梁的彈性模量；A=ab為懸臂梁的橫截面面積；m為懸臂梁的端部集中質量塊質量；N為沿懸臂梁的軸向作用力；為接觸面靜摩擦系數；為接觸面滑動摩擦系數；為粘滑中初次滑動結束時質量塊坐標；r為集中質量塊做圓周運動的運動半徑。 從粘滑運動方程中可以總結出不同參數的大小與粘滑運動之間的關系： (1) 懸臂梁的剛度k以及零部件接觸面的面積A越大，則發生粘滑振動時的振幅就越小。 The Research on the Reform of the Teaching Mode of Accounting Specialty in the Context of Internet +——A Case Study of Corporate Tax Practice___________________MA Heng 101 (2) 正壓力N、滑動摩擦系數以及靜摩擦系數的值越小，則發生粘滑振動時的振幅就越小。 4 方案可行性驗證 為了檢驗該車輪端的起步粘滑異響是由于驅動半軸與輪轂軸承之間的接觸面的摩擦轉動導致的，本文在兩個部件的接觸面之間添加了一種含有減摩涂層的特制墊圈，其結構和尺寸如圖7所示。 圖7 特制減摩墊圈 Fig.7 Special anti-friction washer 再次采用主觀評價法對加裝特制墊圈后的車輪端異響進行評價，原始異響消失，利用專業設備采集加裝特制墊圈前后的聲音數據，并進行客觀分析，結果如圖8所示。原車狀態下在起步過程中振動加速度和傳聲器幅值都存在突變現象即起步異響現象，而加裝特制墊圈后在起步過程中振動加速度和傳聲器幅值曲線平滑幅值突變現象消失，表明加裝墊圈后除了正常的齒輪嚙合振動，無振動幅值突變現象，起步異響現象消失。 圖8 加裝墊圈后的時域振動特性 Fig.8 Time domain characteristics of vehicle vibration after adding the washer 5 起步異響控制工程化因素 根據對粘滑振動理論探討以及對簡化摩擦模型的仿真結果分析，可以明確在影響粘滑運動規律的諸多因素中，傳動中的正壓力、零部件接觸面的設計參數以及動、靜摩擦系數變化等影響較大。根據前文分析，針對機械傳動系統中類似的粘滑異響控制和優化，可從以下方面進行改進： (1) 設計花鍵時把軸花鍵形式更改成面花鍵形式，通過改變配合方式來杜絕粘滑異響； 軍隊行政權力清單制度，是指軍隊各級在對其所行使的行政權力進行全面梳理的基礎上，依法界定每個部門、每個崗位的職責與權限，然后將職權目錄、實施主體、法規依據、監督方式等以清單形式進行列舉，對運行流程進行圖解，并在一定范圍內公開并接受監督的一種規定和準則。權力清單制度的核心內涵就是“法無授權即禁止”“法定職責必須為”。換言之，清單所涵蓋的范圍就是行政權力的合法行使范圍，清單以外就是行政權力不能隨意進入的范圍。 (2) 盡可能在設計過程中采用具有較小摩擦力的配合面，較小摩擦力可保證在產生粘滑運動時避免異響； (3) 設計過程中，盡可能減小緊固鎖緊力，以便有效降低粘滑運動過程中的軸向沖擊力； (4) 盡可能在設計過程中保證更小的花鍵配合間隙，以此減小或消除配合面發生粘滑的可能； (5) 采用有效方法阻斷異響的傳遞路徑，比如盡可能在設計過程中提高車身的密封性能等。 各種具體措施的改善情況如表3所示。 例5（2015·云南）：如圖是測量額定電壓為3.8V的小燈泡的電功率的實物電路圖，小燈泡的電阻約為10Ω。請在虛線框內畫出與實物圖對應的電路圖。 綜合考慮不同改善措施的改善效果、所需成本、可靠性以及不同改善方案的工程化實施性，本文最終決定采用特制減摩墊圈，進而改變傳動零部件接觸端面的動態摩擦特性，以此進行該粘滑異響的控制，簡單方便，成本低，可實施性強。 表3 不同起步異響控制措施的改善效果比較 Table 3 Comparison of improvement effect between different control measures on abnormal starting noise 序號工程化控制措施改善結果 1軸花鍵設計成面花鍵(杜絕粘滑異響)有效 2在接觸面增加減摩墊圈(減小摩擦力)有效 3在接觸面涂抹減摩材料(減小摩擦力)有效，衰減嚴重 4減少緊固螺栓扭矩(減小軸向沖擊力)輕微改善 5內花鍵表面涂膠(保證更小配合間隙)部分有效 6加強車身密封(改善傳遞路徑)有效 7將前地毯加厚(改善傳遞路徑)有效 針對墊圈的使用壽命驗證，本文使用添加特制墊圈的車輛在專用汽車實驗場地進行可靠耐久性能試驗，每間隔3 000 km做一次實驗記錄，測試里程高達數萬公里，測試結束檢測顯示，異響未再出現，特制墊圈未出現明顯破損，其磨損狀態在計算安全范圍內。 6 結論 汽車性能的不斷提升，發動機輸出扭矩也在不斷增加，尤其是在大力發展新能源的趨勢下，相比于傳統內燃機電機，新能源發動機的輸出扭矩將會更大。因此，在起步過程中因扭矩沖擊作用而引發的粘滑摩擦異響問題將會更加突出。本文通過分析，得出以下結論： 一是個稅應該進一步降低。今年10月1日起，個稅減稅政策已經率先實施，工資薪金起征點提至5000元，并適用新的稅率，而明年1月1日起個稅改革將全面實施，老百姓還能享受專項附加扣除。個稅起征點提高到每月5000元以后，從總體上來講，稅收一年大致要減3200億。 按照水利部、財政部、國土資源部和中國氣象局的有關文件要求，省水利廳會同省財政廳、省國土資源廳、省氣象局成立了項目建設領導小組，并成立省山洪災害預警系統建設項目辦公室（以下簡稱省項目辦）作為項目法人，承擔項目的建設管理工作；各設區市、縣成立相應的項目建設管理機構，省市水文部門作為同級項目辦成員參與項目建設管理，以支撐項目中暴雨洪水監測系統的建設；氣象部門成立相應項目建設機構負責氣象部門實施內容的建設。 (1) 針對車輛在起步過程中的“咔噠”異響進行主、客觀分析，最終確定異響產生源為驅動半軸與輪轂軸承結合端面粘滑摩擦導致。 (2) 通過建立合理的物理模型，分析粘滑運動過程中相關的正壓力、滑動摩擦系數、靜摩擦系數等參數的影響，利用一種特制的減摩墊圈，進而改變傳動零部件接觸端面的動態摩擦特性，穩定控制了傳動過程中的摩擦系數變化量，保證動力可以平穩過渡，有效抑制粘滑異響，解決了該車型驅動輪端的起步異響問題。 (3) 針對此類粘滑摩擦所引發的異響問題給出了多種異響控制方案，對以后新車型開發設計過程中動力傳動系統中類似粘滑異響問題的規避提供了參考意見。 參考文獻 [1] 吳光強, 欒文博. 汽車傳動系相關NVH問題的動力學研究論述[J]. 機械工程學報, 2013, 49(24): 108-116. 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Geely Automobile Research Institute, Hangzhou 310000, Zhejiang, China;4. Chongqing Chang’an Auto Oushang R&D Center, Chongqing 400044, China) Abstract: In the starting process of a certain front-engine front-drive vehicle, the “click” sound appears and the high occurrence rate of this trouble seriously affects the quality of whole vehicle. Through the investigation and analysis, it is clarified that the phenomenon of abnormal noise is caused by the stick-slip vibration of the contact end face between the wheel-hub bearing and the driving half-shaft. In the stick-slip process, the friction type of the contact end face transfers from static friction to dynamic friction and the axial impact introduced by the changes of friction coefficient generates abnormal noise. A simplified physical model is established, the influences of dynamic and static friction coefficients, positive pressure and contact area on stick-slip motion are analyzed. A special anti-friction washer is added to the contact interface to minimize the change of friction force during the transfer from static friction to dynamic friction, so that the trouble of starting “click” noise is eventually solved. At present, there are few researches on stick-slip friction in vehicle transmission system. The research in this paper has reference significance for the similar stick-slip abnormal noise treatment in the design process of the new vehicle transmission. Key words: driving half-shaft; wheel hub bearing; tribology; stick-slip friction 中圖分類號：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3630(2019)-04-0446-06 DOI編碼：10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.015 收稿日期: 2019-01-15; 修回日期: 2019-02-21 作者簡介:岳川元(1992－), 男, 四川廣元人, 碩士研究生, 研究方向為智能駕駛車輛橫縱向運動控制、汽車NVH噪聲振動控制。 通訊作者: 岳川元, E-mail: 905398304@qq.com