粘滑摩擦誘發(fā)汽車驅(qū)動輪端起步噪聲的分析與控制

張凱 張軍

（1.重慶理工大學，重慶 400054；2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

主題詞：粘滑摩擦 起步工況 輪轂軸承 驅(qū)動半軸

1 前言

粘滑摩擦廣泛存在于機械系統(tǒng)中，發(fā)生在具有相對運動的接觸面之間，表現(xiàn)為接觸面間周期性出現(xiàn)粘滯-滑動的自激振蕩現(xiàn)象，引發(fā)系統(tǒng)振動噪聲問題。通常認為接觸面摩擦因數(shù)在低速區(qū)隨相對速度提高而減小的負斜率效應是粘滑摩擦產(chǎn)生的主要原因。整車系統(tǒng)中具有相對運動摩擦面的結構廣泛存在，在實際工作過程中常由于粘滑摩擦導致一系列振動噪聲問題。S.W.Yoon 等研究了由制動引起的制動器粘滑現(xiàn)象。張立軍等研究了不同刮刷速度下刮水器的粘滑振動。L.P.Li 等研究了考慮粘滑摩擦特性的離合器驅(qū)動盤自激振動現(xiàn)象。W.Spencer等對傳動系統(tǒng)中伸縮花鍵的粘滑現(xiàn)象進行了臺架試驗分析，評估了接觸面潤滑劑、花鍵材料、溫度等對粘滑摩擦現(xiàn)象的影響。目前對于粘滑摩擦現(xiàn)象的研究多采用簡化模型進行分析，且多從剛度、夾緊力、轉動慣量、旋轉速度、摩擦因數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的角度研究其影響因素。

驅(qū)動半軸與輪轂軸承的裝配形式有2種：軸向花鍵結構裝配，通過鎖緊螺母固定；端面齒結構裝配，通過中心螺栓固定。軸向花鍵的裝配形式，由于配合花鍵之間本身存在間隙以及在較大驅(qū)動力矩下花鍵存在彈性變形，可能造成驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸面出現(xiàn)相對運動，從而誘發(fā)粘滑摩擦現(xiàn)象。

某車型存在起步異響問題，對相應部位進行拆解、分析后認為，該起步異響問題是驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸面發(fā)生粘滑摩擦現(xiàn)象導致的。本文將異響部位結構簡化為單自由度旋轉摩擦模型，使用AMESim軟件建立整車傳動模型，分析鎖緊力、接觸面摩擦特性、花鍵剛度等因素對起步異響的影響趨勢，并在驅(qū)動半軸軸肩表面進行磷化工藝處理得到磷酸錳轉化涂層，以改變接觸面間的摩擦特性，解決該車型起步異響問題。

2 問題描述

某車型在起步過程中，存在急促、尖銳的“咔噠”異響。為精準定位異響源，對該車型進行多次起步操作，經(jīng)現(xiàn)場初步判斷，異響源位于驅(qū)動輪轉向節(jié)附近，如圖1所示。

圖1 異響源位置

使用B&K公司的振動噪聲測試設備采集轉向節(jié)部位振動加速度及近場噪聲，同時通過CAN 總線獲取發(fā)動機轉速及車速等信息。

對該車型進行多次起步測試，截取其中一次起步過程（第18.2～22.0 s）的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，第20.3 s對應的發(fā)動機轉速為1 174 r/min，轉向節(jié)振動加速度和近場聲壓出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。通過回放與之相對應的聲音樣本，確認此時伴有明顯的“咔噠”異響。

圖2 原車測試時域特性

初步判定異響出現(xiàn)在驅(qū)動輪轉向節(jié)位置，因此對驅(qū)動輪以及與其相連的驅(qū)動半軸、輪轂軸承等部件進行拆解。如圖3所示，驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸的端面出現(xiàn)明顯的摩擦痕跡。調(diào)整鎖緊螺母鎖緊力時，發(fā)現(xiàn)異響有明顯的強弱變化，由此確定起步異響是由驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸面的旋轉摩擦導致的。

圖3 驅(qū)動半軸拆解結果

3 起步異響機理分析

3.1 異響原因分析

車輛起步過程中，發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩經(jīng)離合器、變速器、主減速器、差速器、萬向節(jié)、驅(qū)動半軸，最終到達車輪完成起步。驅(qū)動半軸與輪轂通過配合花鍵傳遞動力，結構如圖4 所示。驅(qū)動半軸花鍵受扭轉作用，會產(chǎn)生一定的彈性變形，同時由于加工、磨損等會與輪轂花鍵間產(chǎn)生一定的配合間隙，兩種因素疊加使誤差累積，導致在起步力矩作用下，驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸面出現(xiàn)相互運動趨勢，即驅(qū)動軸端面與輪轂軸承間存在靜摩擦力矩。

圖4 動力傳動系統(tǒng)結構示意

經(jīng)變速器及主減速器增扭作用后，驅(qū)動半軸的輸入扭矩相當大，可達500～1 200 N·m。根據(jù)鎖緊力、靜摩擦因數(shù)、接觸面當量半徑等相關參數(shù)計算，驅(qū)動半軸與輪轂軸承接觸面的靜摩擦力矩僅為226 N·m，遠小于驅(qū)動半軸起步力矩。因此，在起步力矩沖擊下，接觸面將克服靜摩擦力矩轉化為滑動力矩產(chǎn)生相對運動，導致接觸面出現(xiàn)如圖3 所示摩擦痕跡并誘發(fā)粘滑摩擦異響。之后，花鍵變形及花鍵間隙逐漸消失，驅(qū)動半軸與輪轂花鍵充分嚙合，開始正常進行動力傳遞。

3.2 粘滑摩擦機理分析

將異響發(fā)生部位的結構簡化為單自由度旋轉摩擦模型，如圖5所示。設2個摩擦盤互相接觸，二者之間的摩擦力矩為、扭轉剛度為、阻尼系數(shù)為、摩擦盤1的角位移為、轉動慣量為，摩擦盤2 以角速度勻速旋轉，則系統(tǒng)的振動微分方程為：

圖5 單自由度旋轉摩擦模型

其中：

式中，為作用在摩擦盤1 上的壓緊力；為2 個摩擦盤接觸面間的摩擦因數(shù)；為當量摩擦半徑。

負斜率效應（Stribeck 效應）用于描述低速區(qū)摩擦效應，被認為是導致粘滑現(xiàn)象的原因，Duan 等也印證了這一觀點。負斜率效應的非線性特征可通過眾多摩擦模型進行分析，包括靜態(tài)模型中的指數(shù)模型、分式模型和多項式模型等，以及動態(tài)模型中的Lugre模型、雙曲線正切模型等。多項式模型形式相對簡單、更易控制，因此本文使用多項式模型進行分析，其表達式為：

其中：

式中，為最大靜摩擦因數(shù)；為最小動摩擦因數(shù)；為最小動摩擦因數(shù)對應的角速度；為相對轉速。

將式（3）代入式（1）中，系統(tǒng)的振動方程可改寫為：

使用MATLAB 軟件對上述模型進行計算，取=100 N·m/rad、=0.5 N·m/(rad·s)、=10 N、=0.4、=0.15、=0.5 rad/s、=1 m，摩擦盤1 初始角位移、角速度均取為0。計算摩擦盤2 角速度為0.1 rad/s、0.2 rad/s、0.5 rad/s 時摩擦盤1 的運動情況，時間歷程和角速度-位移相圖如圖6所示。

圖6 摩擦盤2不同角速度下摩擦盤1時間歷程和角速度-位移相圖

由圖6a、圖6b可以看出，摩擦盤2角速度為0.1 rad/s、0.2 rad/s 時，摩擦盤1 呈現(xiàn)周期性粘滯-滑動的運動狀態(tài)，頻率隨摩擦盤2 角速度提高而提高。由圖6c 可知，摩擦盤2 角速度為0.5 rad/s 時，摩擦盤1 做周期性衰減運動，但不發(fā)生粘滑現(xiàn)象。說明負斜率效應下系統(tǒng)可能發(fā)生粘滑摩擦現(xiàn)象，發(fā)生條件與2個摩擦盤的相對角速度相關，相對角速度較低時粘滑現(xiàn)象更明顯，隨著相對轉速的提高，此現(xiàn)象會逐步衰退，直至消失。據(jù)此可初步預估得到發(fā)生粘滑現(xiàn)象的臨界轉速范圍。

4 AMESim建模及仿真

根據(jù)試驗車型的實際相關參數(shù)，使用AMESim軟件相關模型庫建立整車傳動模型。該模型主要由發(fā)動機、離合器、變速器、差速器、摩擦模型、車輪、道路等子模型組成。摩擦模型位于異響部位，選擇可將負斜率效應考慮在內(nèi)的Karnopp摩擦模型，如圖7所示。

圖7 AMESim整車傳動模型

通過控制摩擦模型的信號輸入，模擬驅(qū)動半軸花鍵與輪轂花鍵充分嚙合前短暫的摩擦過程和充分嚙合后的機械過程，進而分析異響部位的粘滑摩擦現(xiàn)象。仿真過程中，將試驗測得的發(fā)動機轉速作為模型的輸入，離合器模型設置為接合狀態(tài)，變速器模型設置為Ⅰ擋，摩擦模型設置為負斜率效應開啟，最大靜摩擦力矩設置為226 N·m，最小動摩擦力矩設置為150 N·m。根據(jù)仿真計算結果繪制異響部位的摩擦力矩曲線，驅(qū)動半軸、輪轂軸承側轉速曲線及摩擦力矩隨兩側相對轉速變化曲線如圖8所示。

從圖8a、圖8b 中可以看出，起步前期驅(qū)動半軸、輪轂軸承轉速未達到相同的階段，輪轂軸承側轉速及摩擦力矩出現(xiàn)明顯的波動，隨著相對轉速的降低，波動現(xiàn)象更為明顯，且在相對轉速為0 時波動消失，與單自由度旋轉摩擦模型結論一致。從圖8c 中可以看出，在相對轉速較低的范圍內(nèi)，摩擦力矩隨相對轉速提高呈非線性下降狀態(tài)（負斜率效應），是粘滑摩擦現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。粘滑摩擦現(xiàn)象導致轉速、力矩波動，從而誘發(fā)起步異響。

圖8 異響部位仿真結果

除相對速度外，影響粘滑摩擦的因素仍有很多，本文通過調(diào)整AMESim整車模型相關參數(shù)分析鎖緊力、接觸面摩擦特性、花鍵剛度等因素對粘滑摩擦的影響趨勢，摩擦力矩、異響部位兩側轉速、及摩擦力矩與相對轉速的關系如圖9所示。

圖9 不同因素對粘滑摩擦影響趨勢分析

由圖9 可以看出：對比減小鎖緊力、調(diào)整摩擦因數(shù)（減小靜、動摩擦因數(shù)，同時減小靜、動摩擦因數(shù)差值）兩種方案，調(diào)整摩擦因數(shù)改變接觸面摩擦特性的方案效果更加顯著。增加花鍵剛度的主要措施為增加軸的直徑，會導致與其配合的輪轂內(nèi)花鍵也相應改變，成本過高。

根據(jù)仿真結果，結合驅(qū)動半軸分析起步異響產(chǎn)生的原因：

a.結構因素：驅(qū)動半軸與輪轂配合花鍵間的間隙增大，再結合花鍵自身存在的彈性變形，導致起步過程驅(qū)動半軸-輪轂軸承接觸面出現(xiàn)界面滑移。

b.物理因素：摩擦的負斜率效應，當摩擦面兩側相對轉速較小時，摩擦因數(shù)與相對速度呈負相關。

綜合考慮方案的成本、可實施性，針對傳動系粘滑異響問題從3 個方向提出優(yōu)化方案：安全范圍內(nèi)，適當減小鎖緊力矩；消除粘滑摩擦發(fā)生條件；改變接觸面的摩擦特征。

5 方案有效性驗證

針對適當減小鎖緊力矩的優(yōu)化措施，通過調(diào)整鎖緊螺母的鎖緊力矩即可實現(xiàn)，調(diào)整鎖緊力矩后的異響主觀評價結果如表1所示。由表1可以看出，當鎖緊力矩調(diào)整到120 N·m 時，主觀感受異響發(fā)生輕微改變，鎖緊力矩調(diào)整到70 N·m及以下時，異響完全消失，但此時由于鎖緊力矩過小，安全性難以達到標準。

表1 不同鎖緊力矩下異響表現(xiàn)

針對消除粘滑摩擦發(fā)生條件的優(yōu)化措施，由前文可知，驅(qū)動半軸-輪轂軸承的接觸面滑移是粘滑摩擦發(fā)生的必要條件，控制思路為使接觸面不發(fā)生滑移。具體措施包括在花鍵內(nèi)涂膠及使用帶有螺旋角的驅(qū)動軸花鍵，即消除了配合花鍵的間隙使接觸面不發(fā)生滑移，但帶有螺旋角的驅(qū)動軸花鍵與增加配合花鍵剛度同樣需要改變過多結構，成本較高，而花鍵內(nèi)涂膠經(jīng)測試消除異響效果不明顯。

改變接觸面的摩擦特征的優(yōu)化措施包括：直接對驅(qū)動半軸軸肩表面進行磷化工藝處理得到磷酸錳轉化涂層，或加裝涂有磷酸錳轉化涂層的減摩墊片；在輪轂軸承前端集成橡膠墊圈；使用端面齒結構，通過減小結合環(huán)面的面積削弱粘滑摩擦現(xiàn)象。其中后2 種措施都需改變驅(qū)動半軸-輪轂軸承系統(tǒng)結構，成本較高且需考慮部件的安裝難度，屬于新一代的輪轂軸承結構，已有部分車型使用此類軸承來規(guī)避可能出現(xiàn)的粘滑異響問題。

綜合考慮方案實施成本、實施難度、改善效果、可靠性等因素，本文采用對驅(qū)動半軸軸肩表面進行磷化工藝處理得到磷酸錳轉化涂層的方案解決起步粘滑異響問題。

為驗證該方案的有效性，將處理后的驅(qū)動半軸裝回原車，使用與前文一致的采集設備，并在相同的位置布置傳感器，重新進行實車試驗，截取第51～60 s的時域特性，如圖10所示。

圖10 磷化工藝處理后時域特性

對比圖2 和圖10 可以看出，相較于原車，調(diào)整后的車輛在多次起步過程中振動加速度曲線和近場聲壓曲線變化均更為平滑且未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，通過回放對應的聲音樣本，確認起步異響消除。試驗結果表明，對驅(qū)動半軸軸肩表面進行磷酸錳工藝處理后，接觸面的粘滑摩擦極大削弱，不足以產(chǎn)生異響問題。

6 結束語

本文以某車型起步異響問題為研究對象，通過建立相關模型對粘滑摩擦現(xiàn)象及其影響因素進行了分析。減小鎖緊螺母鎖緊力矩、調(diào)整接觸面摩擦因數(shù)、提高花鍵剛度均可抑制驅(qū)動半軸-輪轂軸承系統(tǒng)粘滑摩擦現(xiàn)象，其中調(diào)整摩擦因數(shù)（減小靜、動摩擦因數(shù)，同時減小靜、動摩擦因數(shù)差值）的抑制效果更加顯著且容易實施。同時結合其影響因素提出了一系列工程化控制措施削弱粘滑摩擦異響，采用使用磷酸錳工藝處理接觸面的方案解決了噪聲問題。