一種傳動(dòng)軸噪聲問題的分析及改善

張峰，李小北

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

隨著汽車市場(chǎng)的發(fā)展，顧客對(duì)汽車舒適性的關(guān)注度正逐步提升，汽車的 NVH性能作為決定汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)，也越來(lái)越受到重視。NVH性能在汽車的研究與設(shè)計(jì)過(guò)程中既需要一定理論基礎(chǔ)又需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能不斷被提升優(yōu)化。對(duì)于前置后驅(qū)車而言，傳動(dòng)軸的性能對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng) NVH有著顯著的貢獻(xiàn)。

1 傳動(dòng)軸噪音概述

1.1 傳動(dòng)軸功能及結(jié)構(gòu)

汽車傳動(dòng)軸將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的輸出扭矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。并能適應(yīng)因路面不平和車輪上下跳動(dòng)引起的傳遞距離和角度的變化。中間傳動(dòng)軸的前端與變速箱的輸出法蘭盤相連接，中間支承懸掛在車架的橫梁下（用“U”形托架固定），中間支承軸承可以軸向微量滑動(dòng)，以此來(lái)補(bǔ)償軸向位置安裝誤差和允許汽車在運(yùn)行時(shí)軸承前后微量竄動(dòng)，減少軸承的軸向受力。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)噪音和振動(dòng)源分類

傳動(dòng)軸聯(lián)軸器和軸承一邊連接動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，另一邊連接車身，這樣動(dòng)力傳動(dòng)軸系的振動(dòng)會(huì)通過(guò)這些軸承和聯(lián)軸器傳遞到車廂內(nèi)。車內(nèi)感覺到的噪聲主要有[1]：

1）齒輪嚙合誤差而引起的噪聲與振動(dòng)。變速器內(nèi)部，分動(dòng)器內(nèi)部和差速器內(nèi)部由于嚙合誤差引起的振動(dòng)傳遞到傳動(dòng)軸，半軸和殼體，從而產(chǎn)生傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。通常表現(xiàn)為單頻噪音（whining）以及一些敲擊噪聲（rattling）。

圖1 傳動(dòng)軸安裝示意圖

2）傳動(dòng)軸的動(dòng)不平衡以及各種徑向跳動(dòng)引起的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生1階振動(dòng)與噪聲。

3）對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常會(huì)采用多根傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，軸與軸之間使用萬(wàn)向節(jié)連接，采用不等速萬(wàn)向節(jié)后，被動(dòng)軸的速度在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)發(fā)生兩次變化，從而引起二階振動(dòng)。在車內(nèi)會(huì)感覺到車地板的振動(dòng)，方向盤的振動(dòng)或是座椅的振動(dòng)。

2 傳動(dòng)軸噪音問題分析

某車型開發(fā)測(cè)試過(guò)程中，車輛于-5℃至-15℃測(cè)試環(huán)境下，行駛至50km/h-80km/h區(qū)間時(shí)出現(xiàn)嘯叫音，熱車后該嘯叫音減弱或消失。在測(cè)試過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)車輛振動(dòng)和噪聲來(lái)自于底盤有節(jié)奏的振動(dòng)，而且在地板處振動(dòng)較為明顯。結(jié)合駕駛室內(nèi)的客觀噪音測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該噪音頻率處于780Hz至900Hz之間（圖2），根據(jù)出現(xiàn)異響的車速，換算到傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在1500rpm至2100rpm之間，且在該區(qū)間內(nèi)傳動(dòng)軸與車身地板連接位置伴隨明顯振動(dòng)，初步分析噪音來(lái)自于傳動(dòng)軸。

圖2 車內(nèi)噪音頻率分析

將傳動(dòng)軸置于-24℃低溫倉(cāng)中冷卻放置14小時(shí)以上，然后安裝至臺(tái)架，圖3所示。啟動(dòng)設(shè)備按照?qǐng)D4所示條件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試期間傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸承的振動(dòng)值通過(guò)加速度傳感器被記錄下來(lái)，期間產(chǎn)生的噪音也會(huì)分別被架設(shè)在不同位置的傳感器分別記錄以用于主客觀測(cè)量。

圖3 臺(tái)架測(cè)試

圖4 嘯叫音測(cè)試工況

圖5 傳感器安裝位置

根據(jù)臺(tái)架測(cè)試得出的數(shù)據(jù)，圖6和圖7所示，噪音來(lái)自于軸承內(nèi)部，在1700rpm和2200rpm附近非常明顯，該噪音與轉(zhuǎn)速相關(guān)，振動(dòng)能量隨頻率升高而減弱。另外該噪音還和軸承的溫度成顯著相關(guān)性，軸承內(nèi)只有潤(rùn)滑脂的性能與溫度具有顯著相關(guān)性。

圖6 低溫狀態(tài)軸承的聲壓級(jí)

圖7 零件測(cè)試頻譜圖

引起軸承振動(dòng)的原因有多種，大部分都?xì)w咎于軸承的非理想狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，如套圈的波紋度、粗糙度、損傷、安裝誤差、內(nèi)部潤(rùn)滑以及由于疲勞產(chǎn)生的碎裂剝落和灰塵雜質(zhì)等。該傳動(dòng)軸中間軸承采用深溝球軸承，可以將軸承內(nèi)外圈、鋼球以及潤(rùn)滑脂是為一套振動(dòng)系統(tǒng)，自激勵(lì)振動(dòng)由鋼球的振動(dòng)導(dǎo)致。

3 傳動(dòng)軸噪音問題改善

對(duì)于雙密封軸承，其主要依靠?jī)?nèi)部加注的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂可以在軸承滾道的表面形成具有一定厚度的連續(xù)穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，使該彈性系統(tǒng)振幅降低，從而降低振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的絕對(duì)值[2]。研究表明[3]表觀粘度高的潤(rùn)滑脂相對(duì)表觀粘度小的潤(rùn)滑脂要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能補(bǔ)充到軌道中去，潤(rùn)滑劑進(jìn)入接觸區(qū)的困難會(huì)造成乏油潤(rùn)滑加劇，從而引起平均油膜厚度形成的不穩(wěn)定，使振動(dòng)波產(chǎn)生無(wú)序的波動(dòng)，從而使軸承在噪聲測(cè)試時(shí)產(chǎn)生有規(guī)律的嘯叫音。而且潤(rùn)滑脂在一定剪切速度下的表觀粘度相對(duì)較低時(shí)軸承振動(dòng)有變好的傾向。

調(diào)取當(dāng)前軸承所使用的潤(rùn)滑脂參數(shù)，表1所示，發(fā)現(xiàn)其所使用的稠化劑種類為脲基稠化劑。脲基潤(rùn)滑脂具有良好的膠體安定性，這使得它在軸承中有較長(zhǎng)的高溫工作壽命。在高速下，脲基脂比較容易形成“溝槽”，從而使摩擦力矩和噪聲水平保持在較低的水平[4]。此潤(rùn)滑脂更兼顧高溫工況下的穩(wěn)定性，考慮到在低溫下該噪音較為明顯，需要調(diào)整低溫下的運(yùn)動(dòng)粘度以改善噪音，同時(shí)兼顧其他性能。

從數(shù)據(jù)庫(kù)里選取低溫條件下黏度更低的潤(rùn)滑脂，以保證低溫下油膜的形成促使軸承得到充分潤(rùn)滑，新舊潤(rùn)滑脂信息如下：

表1 新舊潤(rùn)滑性能對(duì)比

通過(guò)低溫啟動(dòng)力矩及運(yùn)動(dòng)粘度以反應(yīng)潤(rùn)滑脂低溫狀態(tài)下的工作能力，力矩越小，潤(rùn)滑脂的低溫性能越佳，更改后的油脂在低溫啟動(dòng)和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

將采用新潤(rùn)滑脂的傳動(dòng)軸裝在臺(tái)架上，按照相同的測(cè)試方法再次進(jìn)行測(cè)試，軸承振動(dòng)及噪聲，如圖8所示。更換低溫潤(rùn)滑脂后，之前出現(xiàn)倍頻的頻率范圍內(nèi)沒有再出現(xiàn)故障頻率特征。再次進(jìn)行車內(nèi)主觀評(píng)價(jià)，也未檢測(cè)到該噪音。

圖8 更改潤(rùn)滑脂前后頻譜對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)在特定的工況下對(duì)問題車輛的車內(nèi)噪聲和振動(dòng)進(jìn)行主客觀測(cè)試，以及零件的臺(tái)架測(cè)試，以頻譜分析和振動(dòng)傳遞路徑的分析手段，找出了問題車輛能夠感受到嘯叫聲的根本原因所在，為以后開發(fā)零部件提供技術(shù)借鑒。通過(guò)對(duì)該異響的分析可以得出以下結(jié)論：

將傳動(dòng)軸中間軸承潤(rùn)滑脂變更為兼顧低溫性能的油脂后，能夠有效解決整車在低溫下啟動(dòng)后產(chǎn)生的車內(nèi)振動(dòng)和嘯叫噪音。通過(guò)更改潤(rùn)滑脂提升了低溫情況下軸承溝道油膜的穩(wěn)定性，保證滾動(dòng)體有序的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免產(chǎn)生異常波動(dòng)。