某MPV車型傳動軸異響問題研究

齊瑞曉

(許昌遠東傳動軸股份有限公司， 河南 許昌 461111)

0 引言

汽車傳動軸是將發動機的動力通過變速箱輸出到驅動橋的關鍵部件。車輛在運行過程中，傳動軸受到沖擊或外部激勵會產生異響，特別對乘用車來說，這會嚴重影響乘車的舒適性，并會造成傳動軸早期失效。頻繁異響現象的存在，同樣給駕駛員安全駕駛也帶來了不利影響[1]。在實際生產過程中，諸如跳動超差、萬向節十字軸軸向竄動超差、滑動花鍵配合間隙不當、當量夾角過大、中間支撐動靜剛度不足等，都會導致車輛產生異響。因此，在傳動軸設計階段，先采用模態分析、試驗驗證來充分保證傳動軸各項技術指標滿足設計要求，顯得十分必要[2]。通過識別某MPV車型在不同轉速下的測試結果，查找到出現異響的部件是傳動軸的花鍵副部位，對花鍵配合間隙進行調整并進行試驗驗證及模態分析，使傳動軸異響現象完全消除，并達到上市車輛的NVH標準。

1 分析故障現象及查找原因

1.1 故障再現

發現某MPV車型在加速過程中出現傳動軸異響問題后，將5臺試驗車輛開到整車測試場，將變速器速比設定為i=1.1，測試得出：發生共振的車速集中為60～70km/h，該車速所對應的發動機轉速為1 600～2 200r/min，所對應的發動機輸出轉矩為最高值范圍。車輛下線后繼續行駛，車輛底盤部位發出響聲。經現場觀察后發現，異響來源于傳動軸滑動花鍵部位，這就從根本上排除了發動機輸出轉矩達到最大值時，由車輛共振帶來的異響。將發生異響的5臺試驗車輛的傳動軸做好安裝標記后卸下。在動平衡機上進行復平，測試結果得出動平衡量值在合格范圍內，本次故障原因可排除動平衡量值超差產生。

1.2 故障定位

對傳動軸的關鍵技術指標進行現場驗證，對傳動軸總成跳動的檢測，技術要求4處中間焊縫跳動量為0.6mm，而中間支撐花鍵部位跳動量僅為0.3mm，測量結果如圖1所示。

圖1 傳動軸總成跳動量檢測

由圖1可以看出，傳動軸總成跳動無超差，本次故障原因可排除由跳動超差產生。

在三支撐動平衡機上模擬整車裝配角度，不同轉速下驗證故障傳動軸是否有異響；將傳動軸裝夾在動平衡機上(圖2)，同時將中間支撐位置墊高，以模擬實際裝車狀態角度，當角度調整為3° 時，繼續在動平衡機上測試。測試結果在動平衡轉速為1300r/min時，傳動軸中間花鍵伸縮部位出現“咯咯”響聲。“咯咯”響聲來自于中間滑動花鍵部位，判定是由于花鍵配合間隙過大，傳動軸在某個角度時，花鍵配合偏向一側，在一定轉速下出現激振現象。

1—突緣叉；2—軸管；3—中間支撐；4—花鍵套叉；5—花鍵軸；6—萬向節十字軸。圖2 一種帶伸縮花鍵的雙節傳動軸

2 解決異響的辦法

2.1 原因分析

根據故障現象及故障發生機理，通過對故障件進行拆解檢測，得出以下結論：花鍵大徑配合間隙設計過大，低速轉動時花鍵出現竄動，產生激振現象。故障件配合間隙測量結果如表1所示。

表1 伸縮花鍵配合間隙校核 單位：mm

2.2 缺陷傳遞的原因

在動平衡工序，由于傳動軸在動平衡機上裝夾狀態為水平放置，與實際裝車狀態不一致，生產過程中無法對故障現象進行識別，故可導致傳動軸振動異響現象的產生。

3 改進對策

3.1 預防缺陷產生的措施

調整花鍵軸大徑公差，縮小花鍵大徑配合間隙；對動平衡工序加強控制。

3.2 預防缺陷傳遞措施

裝配前對花鍵軸大徑(圖3)及花鍵套叉大徑進行測量，確保伸縮花鍵配合間隙在設計公差范圍內。

圖3 測量花鍵軸大徑

3.3 措施驗證效果

調整花鍵參數后，對花鍵軸和花鍵套叉大徑(表2)進行檢測，在尺寸均合格的情況下，傳動軸動平衡后再次安裝在動平衡機上，將中間支撐部位墊高，再次模擬整車安裝狀態，按5%比例進行異響檢測，過程中未發現有傳動軸異響現象。對調整后的花鍵配合間隙進行不間斷驗證，并跟蹤車輛使用情況，現已裝車1 000多套花鍵參數調整后的傳動軸總成，無再次反饋傳動軸異響現象，說明措施改善明顯有效。

表2 花鍵軸及花鍵套叉大徑配合間隙對比 單位：mm

4 改進措施實施

4.1 調整花鍵大徑尺寸、優化花鍵配合間隙

調整花鍵軸大徑尺寸(圖4)，由Φ33.16～Φ33.22改為Φ33.198～Φ33.26，裝配前對大徑尺寸進行確認，調整花鍵配合間隙(表3)。

圖4 花鍵軸大徑尺寸

表3 優化后伸縮花鍵配合間隙對比

4.2 試驗結果及分析

為了驗證該異響傳動軸隨發動機轉速的變化情況，進行連續提升排量空轉測試，從0升到最大100%排量，同時采集傳動軸的轉速信號。異響情況下，傳動軸花鍵副處的異響最明顯，故提取該點的信號進行圖例分析。該點的噪聲和轉速時域信號如圖5所示。

從圖5中分析可知：

1) 0～70s內，對應排量升到30%之前，無異響，發動機轉速在小范圍內波動，70s對應轉速1500r/min；

2) 70～140s內，排量升到60%，異響出現，傳動軸花鍵副處有明顯異響，發動機轉速從1500r/min升到2500r/min；

3) 140～160s,排量升到100%，異響消失，發動機轉速升到最高3500r/min。

圖5 不同轉速下噪聲時域信號

由以上分析可知，該異響來自傳動軸花鍵副處，當發動機轉速在1500～2500r/min時，產生異響。

4.3 帶底盤的傳動軸模態分析

為驗證試驗結果的準確性，在LMS Test.lab 測試軟件下，依次在傳動軸上布置8個參考點，裝上傳感器，依次對各個點進行敲擊試驗。敲擊了多次，圖6中曲線一直呈下降趨勢即為設定合格；若出現峰值，需繼續設置量程、帶寬頻路、觸發參數，直到曲線一直下降為止。點擊start，開始測量，計算100Hz～300Hz的頻率分布，從中提取傳動軸的固有頻率。由于汽車底盤零部件的開發早于整車其他部件，在設計初期進行模態分析有很大的局限性[3]。在充分研究傳動軸設計周期的前提下，簡化底盤設計布置模型。試驗得知，汽車在加速行駛過程中，動力傳動部分由于撞擊或者底盤加裝其他裝置，引起傳動軸異響，校核120Hz～300Hz的傳動軸徑向模態，計算得知1階模態為116Hz，振型為后軸1階段徑向彎曲第3階模態，發生在196 Hz，振型與試驗210 Hz時相一致[4]。 在LMS Test.lab 測試軟件下，極點選擇輸入界面如圖6所示。

圖6 極點選擇輸入界面及仿真振型圖

對比表1可知，傳動軸伸縮花鍵配合間隙過大，通過以上兩種試驗，從中找到異響的原因，從而驗證了測試軟件分析的結果與整車試驗異響的一致性。由此可見，測試軟件可有效識別傳動軸的故障信息，判斷異響源位置，可達到對傳動軸NVH方面的控制[5]；還可以從中獲取汽車傳動軸異響原因的分析，為優化傳動軸的設計、完善FMEA庫，確定潛在失效模式及其原因，為提升傳動軸質量提供重要依據。

5 結語

針對傳動軸異響問題，使用 LMS Test.lab 的 Signature 進行轉速跟蹤測試，獲取各測點振動和噪聲的信號圖。根據信號圖進一步進行階次分析和頻譜分析，獲取異響頻率及異響源[6]，是解決異響問題的主要方法。診斷出此問題產生的原因，提高解決問題的效率。整改后該車型異響問題得到明顯改善，對研究底盤系統異響現象有重大意義。