汽車底盤系統(tǒng)噪聲控制技術(shù)研究

王萬順，白艷飛，梁阿南

北京汽車股份有限公司，北京市 101300

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量大幅增加，車輛在給人們帶來便利的同時也帶來了嚴(yán)重的噪聲污染，如何有效控制汽車噪聲已成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。對于汽車而言，噪聲問題處處存在，而底盤系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，對汽車的噪聲性能會產(chǎn)生重要影響。因此，底盤噪聲控制對改善汽車噪聲品質(zhì)、提升乘坐舒適性意義重大。

在汽車底盤領(lǐng)域內(nèi)，底盤噪聲容易被駕駛員直接感知，是影響整車噪聲水平的重要組成部分。本文綜述了底盤系統(tǒng)噪聲方面的研究，介紹了底盤各系統(tǒng)噪聲的控制方法。通過典型案例，重點(diǎn)闡述了解決底盤轉(zhuǎn)向蝸輪蝸桿摩擦異響問題的主要思路，主要針對電動轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿摩擦異響的特點(diǎn)及產(chǎn)生原因進(jìn)行了說明。

底盤系統(tǒng)噪聲研究

1.汽車噪聲分類

噪聲是指振動物體產(chǎn)生的任何令人產(chǎn)生不愉快或意外的聲音。異響是指顧客識別到的不正常噪聲的統(tǒng)稱，是一種由低頻振動（100Hz以下）引起的高頻噪聲（1000Hz以上）。異響在汽車產(chǎn)品中廣泛存在，嚴(yán)重影響汽車產(chǎn)品的聲譽(yù)和銷量[1]。

按照異響發(fā)生部位可分為內(nèi)外飾異響、底盤異響、車身異響、動力系統(tǒng)異響等。產(chǎn)生底盤噪聲及異響的原因復(fù)雜，需要系統(tǒng)性梳理研究。

2.底盤系統(tǒng)異響機(jī)理

底盤系統(tǒng)異響根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理主要分為以下三類：振動異響、摩擦異響和碰撞異響。

（1）振動異響 振動異響“嗡嗡聲”，主要指因結(jié)構(gòu)共振或受迫振動而引起的不正常噪聲，類似與板結(jié)構(gòu)共振而對空中輻射的聲音。異響通常是指兩個相鄰部件之間作用而發(fā)出的聲音，而單個部件受到外界激勵會出現(xiàn)振動異響。

提高共振件模態(tài)、增加零部件剛度和增加阻尼對該噪聲有明顯的改善效果。

（2）摩擦異響 摩擦異響“嘰嘰聲”“吱吱聲”和尖叫聲，是兩個相互接觸的實(shí)體表面發(fā)生粘滑運(yùn)動產(chǎn)生的一種聲音。粘滑運(yùn)動本身是低頻的，但引起的聲音通常是高頻的。

粘滑的影響因素：接觸壓力、滑動速度、表面特征、材料屬性及摩擦系數(shù)。

對于該類異響，合理使用接觸面的材料是避免該類異響的常用手段。材料的兼容性試驗(yàn)，可以確定任意兩種材料之間產(chǎn)生異響的可能性和噪聲強(qiáng)度，從而為零部件材料的選型提供依據(jù)。

同時，增加接觸面的安裝剛度減小變形，降低接觸面相對運(yùn)動速度，優(yōu)化接觸力也可以降低摩擦噪聲發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度。

（3）碰撞異響 碰撞異響“嗒嗒聲”和“咯咯聲”，是由于沖擊引起的噪聲。主要指臨近或相互接觸的零部件在動態(tài)載荷的作用下，相互敲擊產(chǎn)生的噪聲[2]。低頻振動接觸產(chǎn)生的寬頻噪聲，主要能量集中在低頻。主要由于尺寸配合不當(dāng)，間隙大，緩沖不夠等原因產(chǎn)生。合理設(shè)計(jì)零部件之間間隙、增大安裝剛度、敲擊面緩沖隔振都可以改善該類噪聲。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響分析

1.底盤轉(zhuǎn)向摩擦異響的特點(diǎn)

底盤異響是較難診斷的故障，這里針對典型的底盤異響案例進(jìn)行系統(tǒng)研究。重點(diǎn)闡述電動助力轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿摩擦異響機(jī)理和解決。

2.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響原理

由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸桿表面為光滑的金屬表面，容易與蝸輪表面發(fā)生相對粘滑運(yùn)動（stick-slip 現(xiàn)象，見圖1）。在發(fā)生該運(yùn)動時，摩擦面聚結(jié)大量的能量，超過摩擦面的靜摩擦力時，發(fā)生滑動摩擦，從而產(chǎn)生“吱吱”摩擦異響。

圖1 蝸輪蝸桿摩擦異響

粘滑現(xiàn)象是摩擦副相互接觸發(fā)生相對運(yùn)動時，需克服摩擦副表面粗糙度的不平整，這就導(dǎo)致摩擦力出現(xiàn)波動，當(dāng)波動足夠劇烈時就產(chǎn)生持續(xù)的粘滑現(xiàn)象。在粘滑過程中，摩擦力與時間關(guān)系曲線是鋸齒狀。只有靜摩擦力因數(shù)明顯大于滑動摩擦因數(shù)，才能發(fā)生這種典型的粘滑。粘滑既可能重復(fù)出現(xiàn)，也可能隨機(jī)發(fā)生。

3.電動助力管柱摩擦異響解決方案

蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)是電動助力轉(zhuǎn)向管柱機(jī)械結(jié)構(gòu)的核心，既要滿足傳遞的力矩大，又要滿足傳遞的效率高。蝸輪蝸桿的材料屬性、潤滑脂的性能及清潔度、蝸輪蝸桿齒面特征、表面粗糙度等都會影響蝸輪蝸桿嚙合的磨損和摩擦性能，是產(chǎn)生摩擦異響的主要部位。

經(jīng)過理論及實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證，蝸輪蝸桿摩擦異響的控制因素有：

1）控制蝸桿齒型輪廓。

2）蝸輪、蝸桿材料臺架測試，材料合理匹配。

3）蝸輪材料的硬度和吸水率。

4）蝸輪材料的耐磨性。

4.蝸輪蝸桿摩擦異響改進(jìn)措施

（1）蝸桿齒型輪廓優(yōu)化 控制蝸桿齒型輪廓，如圖2所示，蝸桿齒頂采用圓角設(shè)計(jì)，避免蝸桿齒頂銳邊劃傷蝸輪嚙合面[3]。接觸面蝸輪蝸桿接觸面不產(chǎn)生突變，發(fā)生機(jī)械上的粘滯，引發(fā)異響。同時需要控制蝸桿的表面粗糙度。

圖2 蝸桿齒型輪廓優(yōu)化

（2）蝸輪材料臺架測試 在產(chǎn)品開發(fā)時，對于蝸輪材料選擇是否合理，也可以借助臺架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，采用多組蝸輪蝸桿進(jìn)行磨合測試，根據(jù)測試情況進(jìn)行蝸輪蝸桿材料匹配。

（3）蝸輪材料的硬度和吸水率 蝸輪的硬度決定了蝸輪齒的強(qiáng)度，蝸輪硬度越高，蝸輪齒的強(qiáng)度越高。同時也要匹配適當(dāng)硬度的蝸桿，這樣兩者的兼容性更優(yōu)，更有利于異響的控制。

蝸輪的吸水率決定了蝸輪的尺寸穩(wěn)定性，吸水率越低，尺寸穩(wěn)定性越好，更有利于異響的控制。

對不同材料的硬度及吸水率測試可得出，PA66+CF材料硬度最高，PA12+GF、PA66、PA6G硬度相當(dāng)，PA12+GF材料吸水率最低，PA46+GF吸水率最高。

（4）蝸輪材料的耐磨性 蝸輪的摩擦系數(shù)決定了蝸輪蝸桿的磨損量。理論上，摩擦系統(tǒng)越低，蝸輪蝸桿磨損量越少，兩者的間隙變化越小，可以減少摩擦異響。

對不同材料的摩擦系數(shù)和磨損量測試如圖3所示。

圖3 蝸輪材料耐磨性

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響的控制，還需要在選取合適的潤滑脂、工藝的裝配性方面研究[4]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲是一個系統(tǒng)問題，各種因素相互影響，噪聲的改善需要從系統(tǒng)的角度進(jìn)行考慮。

結(jié)語

綜上所述，底盤噪聲為汽車NVH研究的難點(diǎn)，應(yīng)展開系統(tǒng)而且全面的分析。對于底盤噪聲及轉(zhuǎn)向摩擦異響今后可從以下幾個方面深入研究：

1）轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿的摩擦異響需要多方面進(jìn)行控制，其主要原則就是控制蝸輪蝸桿間隙，降低摩擦系數(shù)，使其在轉(zhuǎn)動過程中，嚙合平穩(wěn)順暢。

2）研究潤滑油脂與蝸輪蝸桿材料的匹配性。考慮采用不同材料的蝸輪與鋼制蝸桿以及采用不用潤滑介質(zhì)的嚙合性能，進(jìn)一步分析三者之前的搭配使用性能，更深入的優(yōu)化潤滑效果。

3）制定多種臺架及整車測試內(nèi)容。按實(shí)際樣車出現(xiàn)的問題，將制定多種臺架驗(yàn)證方案及整車測試內(nèi)容，以便在產(chǎn)品開發(fā)初期，能夠更充分地驗(yàn)證蝸輪蝸桿及潤滑油的搭配性能，保證產(chǎn)品開發(fā)的成功性。

4）底盤系統(tǒng)噪聲對汽車舒適度的影響程度。