某乘用車轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲的分析及優(yōu)化

顧佳

蒂森克虜伯普利斯坦汽車零部件(上海)有限公司，上海 201315

0 引言

黏滑摩擦廣泛存在于機(jī)械系統(tǒng)中，發(fā)生在具有相對運動的接觸面之間，表現(xiàn)為接觸面周期性出現(xiàn)黏滯-滑動的自激振蕩現(xiàn)象[1-2]，引發(fā)系統(tǒng)振動噪聲問題。整車系統(tǒng)中具有相對運動摩擦面的結(jié)構(gòu)廣泛存在，Yoon等[3]研究了由制動引起的制動器黏滑現(xiàn)象；張立軍等[4]研究了不同刮刷速度下刮水器的黏滑振動；Li等[5]研究了考慮黏滑摩擦特新的離合器驅(qū)動盤自激振動現(xiàn)象；Spencer等[6]對傳動系統(tǒng)中伸縮花鍵的黏滑現(xiàn)象進(jìn)行了臺架試驗分析，評估了接觸面潤滑劑，花鍵材料，溫度等對黏滑摩擦現(xiàn)象的影響。

管柱電動助力轉(zhuǎn)向在中小型乘用車中應(yīng)用占較大比例，其工作原理使得管柱電動助力轉(zhuǎn)向軸在工作中承受了較大的扭矩[7]。轉(zhuǎn)向軸在設(shè)計中考慮到整車碰撞后的潰縮，吸收路邊顛簸的振動等原因，一般采用可伸縮滑動副設(shè)計。實際工作中當(dāng)大扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向軸處，由于車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)剛性有限而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系點C位置發(fā)生微小變化，這樣造成了轉(zhuǎn)向軸滑動副在一定扭矩的作用下同時出現(xiàn)相對運動，容易誘發(fā)黏滑摩擦噪聲現(xiàn)象。

1 問題描述

某乘用車行駛里程為2 000～10 000 km，通電情況在原地向一側(cè)打方向盤到任意角度，雙手放開的一瞬間存在急促沉悶“咚”異響。在低速(<25 km/h)行駛過程中，當(dāng)方向盤換向時，存在相同急促沉悶“咚”異響。本文針對問題車輛進(jìn)行ABA交換試驗，異響問題無法復(fù)現(xiàn)，即只要拆除轉(zhuǎn)向軸再次裝回原車輛，故障消失且無法再次復(fù)現(xiàn)。待故障車再次行駛2 000～10 000 km時，異響重復(fù)發(fā)生。為精準(zhǔn)定位異響源，使用振動噪聲測試設(shè)備采集助力電機(jī)，轉(zhuǎn)向軸節(jié)叉，內(nèi)外套管的振動加速度及近場噪聲，如圖1所示。

圖1 振動噪聲測試設(shè)備采集點

振動噪聲測試結(jié)果如圖2所示，加速度最大發(fā)生在點C，也就是內(nèi)管節(jié)叉處。瞬時振動加速度達(dá)到1.6g，且振動加速度對應(yīng)峰值和麥克風(fēng)捕捉的噪聲相一致。這表明了噪聲源在內(nèi)管節(jié)叉處，從設(shè)計上分析，內(nèi)管節(jié)叉只能和外管能發(fā)生相對滑動，因此問題基本鎖定為內(nèi)外管滑動過程中黏滑噪聲問題。

圖2 振動噪聲測試結(jié)果

2 轉(zhuǎn)向軸異響機(jī)制分析

2.1 異響原因分析

一般認(rèn)為在滑動副的花鍵配合區(qū)域，油膜被破壞即潤滑效果損壞后的相對運動會造成黏滑噪聲。但拆裝轉(zhuǎn)向軸必然會大范圍移動滑動副使被破壞的表面油膜重新建立，故拆裝轉(zhuǎn)向軸后異響短期內(nèi)無法復(fù)現(xiàn)。通過對轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)外管拆解，對滑動副油脂進(jìn)行紅外光譜儀(FTIR)檢測發(fā)現(xiàn)油脂污染嚴(yán)重，基油和增稠劑已經(jīng)變性。對污染油脂處理后做進(jìn)一步能量色散X射線光譜儀(EDX)檢測表明，殘留物中有大量微小的(直徑約10 μm)金屬和氧化物混合物。經(jīng)排查，疑似內(nèi)花鍵旋鍛成型加工過程中殘留物質(zhì)(金屬顆粒、金屬氧化物和油脂混合物，每次旋鍛完成零件都會有一定的金屬殘留物混在旋鍛油里面)附著在花鍵表面，而在后續(xù)化學(xué)清洗過程中未能完全清洗干凈。在對噪聲件內(nèi)花鍵加工面的電子顯微鏡觀察也印證了這一觀點，如圖3所示。

圖3 電子顯微鏡檢測內(nèi)花鍵加工面(問題件)

2.2 黏滑摩擦機(jī)制分析

摩擦系統(tǒng)有4個部分組成，分別是一對摩擦副、潤滑介質(zhì)和環(huán)境。相對應(yīng)轉(zhuǎn)向軸摩擦系統(tǒng)：摩擦副是外管內(nèi)花鍵和內(nèi)管塑料襯套，油脂起到摩擦過程中潤滑作用，外界環(huán)境主要是溫度和濕度。黏滑現(xiàn)象，也被稱為滑黏現(xiàn)象或者簡稱為黏滑，是發(fā)生在兩個相互滑動物體間的一種自激跳躍運動。摩擦副之間的黏滑可以描述為表面相互粘連和相互滑動之間的交替，摩擦力也會發(fā)生相應(yīng)的變化[8]。黏滑和速度、摩擦副材料性質(zhì)、受力情況、工作溫度、表面潤滑情況等多種因素相關(guān)。摩擦副相互接觸發(fā)生相對運動時，需要克服摩擦副表面粗糙峰的不平整(彈性或塑性)。這就導(dǎo)致出現(xiàn)摩擦力的波動，當(dāng)波動足夠劇烈時(摩擦力是速度、摩擦副材料屬性、載荷的函數(shù))就產(chǎn)生持續(xù)的黏滑現(xiàn)象。

用簡單的物理模型表示：當(dāng)物體受到驅(qū)動力FN作用時，物體在沒有運動之前(瞬間)，受到阻力靜摩擦力fs作用，即FN-Fs>0，此時產(chǎn)生加速度a1。之后，由于受力的不平衡，物體開始運動，靜摩擦力轉(zhuǎn)換為動摩擦力，且動摩擦力小于靜摩擦力，此時產(chǎn)生加速度a2。即FN-fd>0且fs>fd，所以a2>a1。 在動靜轉(zhuǎn)換的一瞬間，由于a2>a1，加速度的變化造成沖擊振動，沖擊振動會產(chǎn)生噪聲，當(dāng)這個過程反復(fù)出現(xiàn)的時候(靜止和運動反復(fù)出現(xiàn))，就是產(chǎn)生黏滑和持續(xù)的噪聲。同理，當(dāng)這個沖擊振動大的時候噪聲也就大，而沖擊振動是由動靜摩擦力的差值決定的，所以當(dāng)動靜摩擦力差值大的時候，產(chǎn)生的噪聲也就大。進(jìn)一步將此模型轉(zhuǎn)化為質(zhì)量-彈簧機(jī)械系統(tǒng)的單自由度力學(xué)模型[9]，如圖4所示。將接觸面粗糙峰直接的接觸簡化為并聯(lián)的彈性部件和阻尼部件。將整個接觸面所有的粗糙峰之間的接觸整合成一個大的并聯(lián)的彈性部件和阻尼部件。

圖4 質(zhì)量-彈簧機(jī)械系統(tǒng)的單自由度力學(xué)模型

對圖4所示的模型進(jìn)行受力分析，可以得到如下微分方程：

(1)

式中：k為彈性系數(shù)；kx為彈性效應(yīng)項(與運動方向相反取負(fù)值)；c為阻尼系數(shù)；cv為阻尼效應(yīng)項，阻尼大小與速度正相關(guān)(與運動方向相反取負(fù)值)；f(v)為摩擦力，f=Fs-vλ；F為驅(qū)動力，默認(rèn)F>Fs>0；v為速度，v>0，且在很短的時間內(nèi)服從該方程。

使用Python軟件中from scipy.integrate import odeint模塊進(jìn)行數(shù)值求解。給出如下假設(shè)Fs=10，F(xiàn)=15，c=5，k=5，v0=0.3，并且λ分別選取4.9，5.0，5.1，得到力學(xué)模型數(shù)值求解結(jié)果，如圖5所示。

圖5 力學(xué)模型數(shù)值求解結(jié)果

由圖5可以看到，當(dāng)給物體初速度時，λ=5.0物體會一直做簡諧振動；當(dāng)λ= 5.1時，物體的振動會越來越劇烈；當(dāng)λ=4.9時，振動會因為阻尼的影響逐漸停止。

f=Fs-λv

(2)

其中λ為速度系數(shù)，表示速度減小和摩擦力減小的關(guān)系。也就是說，λ值越大，動靜摩擦力的差值越大。這就表明動靜摩擦因數(shù)差值越大，發(fā)生黏滑和噪聲的趨勢越大。

(3)

由公式(3)可以看到，c-λ的值是影響振動是否出現(xiàn)衰減的關(guān)鍵因素。當(dāng)c-λ>0時，代表阻尼作用的c大于代表動靜摩擦力差值的λ，振動會被吸收；當(dāng)c-λ<0時，代表阻尼作用的c小于動靜摩擦力差值的λ，振動會越來越不穩(wěn)定。所以增加阻尼系數(shù)可使系統(tǒng)更好地吸收振動，防止黏滑和噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵因素[9]。而潤滑油膜是直接影響到阻尼系數(shù)的關(guān)鍵因素之一。

3 工藝優(yōu)化方案

通過對問題件的拆解分析表明，外管內(nèi)花鍵的殘留物是油混合物和金屬殘留物。可分成兩類：一類是有機(jī)物，如長鏈礦物油、旋鍛油和空氣反應(yīng)的氧化物、PTFE油脂；另一類是無機(jī)物，如旋鍛產(chǎn)生的金屬粉末、機(jī)加工產(chǎn)生的金屬碎片。堿性清洗劑配合超聲波清洗，可以將有機(jī)殘留物從加工表面松脫，清洗劑將其帶到表面，漂浮在浴槽中被過濾器撇去，這是一個物理轉(zhuǎn)換。而無機(jī)殘留物在旋鍛過程中被壓制到表面，最終形成一種“金屬糊”，清除它必須使用酸性清洗劑。酸性清洗劑能溶解固體，能有效溶解“金屬糊”，這是一個化學(xué)轉(zhuǎn)換。超聲波清洗流程如圖6所示。經(jīng)過超聲波清洗的外管內(nèi)花鍵拆解后對旋鍛加工面分別進(jìn)行FTIR(紅外光譜儀)檢測和EDX(能量色散X射線光譜儀)檢測，均未發(fā)現(xiàn)有機(jī)污染物和無機(jī)金屬污染物。對加工面電鏡進(jìn)行掃描檢測，如圖7所示。由圖可知，內(nèi)花鍵旋鍛加工表面已無污染。

圖6 超聲波清洗流程

圖7 電子顯微鏡檢測內(nèi)花鍵加工面(超聲波清洗件)示意

4 模擬臺架試驗設(shè)計

針對轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲在整車上的表現(xiàn)為一定里程后出現(xiàn)且一旦拆卸在短期內(nèi)無法再次復(fù)現(xiàn)的特點，為了驗證轉(zhuǎn)向軸改進(jìn)方案的有效性和高效性，必須在線下臺架上模擬出整車對轉(zhuǎn)向軸的綜合工況，并且能夠復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲。第一步是整車綜合路況路試的數(shù)據(jù)采集，在路試過程中需要采集相關(guān)參數(shù)有：轉(zhuǎn)向軸扭矩、轉(zhuǎn)向軸滑動副伸縮距離、伸縮頻率、循環(huán)時間和轉(zhuǎn)向軸工作溫度。經(jīng)過對路試采集數(shù)據(jù)的匯總和分析，對轉(zhuǎn)向軸工作最有代表性的是比利時路段和側(cè)放停車路段。

圖8為比利時路段轉(zhuǎn)向軸的伸縮距離和伸縮頻率。圖9為比利時路段電機(jī)輸出力矩和駕駛員手力矩，由圖可知，最大電機(jī)輸出力矩為0.7 N·m，最大駕駛員手力矩為3.2 N·m。

圖8 比利時路段轉(zhuǎn)向軸的伸縮距離和伸縮頻率

圖9 比利時路段電機(jī)輸出力矩和駕駛員手力矩

根據(jù)蝸輪蝸桿的放大比例以及傳動效率和轉(zhuǎn)向軸的傳動效率，可以計算出轉(zhuǎn)向軸的工作扭矩為15.8 N·m。同時測得比利時路轉(zhuǎn)向軸最高溫度為31.6 ℃。側(cè)放停車路段轉(zhuǎn)向軸的伸縮距離和伸縮頻率可以使用同樣方法獲得，如圖10所示。通過測試可知，轉(zhuǎn)向軸的工作扭矩約為40 N·m(排除方向盤打到接近極限位置的區(qū)域)，如圖11所示。

圖10 側(cè)放停車路段轉(zhuǎn)向軸的伸縮距離和伸縮頻率

圖11 側(cè)放停車路段轉(zhuǎn)向軸扭矩

根據(jù)采集的路譜，整理歸納得出黏滑噪聲模擬試驗臺架參數(shù)見表1，整個試驗步序1+2需完成562次循環(huán)。經(jīng)試驗驗證在轉(zhuǎn)向軸經(jīng)過100個循環(huán)左右，試驗臺架進(jìn)入到模擬側(cè)放停車工況時，轉(zhuǎn)向軸每一次伸縮，即能清晰地聽到急促沉悶“咚”異響，同時接觸轉(zhuǎn)向軸能明顯感受到隨異響的振動。當(dāng)拆卸轉(zhuǎn)向軸再次安裝后，啟動試驗臺架異響消失，經(jīng)過100循環(huán)左右后異響再次發(fā)生，完全與整車的轉(zhuǎn)向軸噪聲特征相吻合。

5 方案有效性驗證

5.1 模擬臺架試驗

對經(jīng)過超聲波工藝清洗過的轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行模擬臺架試驗驗證。為了清楚地對比清洗前后的效果，試驗安排了3組：組1為確認(rèn)的轉(zhuǎn)向軸噪聲抱怨件(無清洗)；組2為通過整車路試耐久后轉(zhuǎn)向軸無噪聲抱怨件(化學(xué)清洗)；組3為超聲波清洗后轉(zhuǎn)向軸。3組零件上試驗臺架，按照之前擬定的模擬工況經(jīng)行試驗，為進(jìn)一步獲得客觀的可評價數(shù)據(jù)，試驗中在轉(zhuǎn)向軸滑動副貼上加速度傳感器，在離滑動副5 mm處安置麥克風(fēng)，捕捉黏滑噪聲。

通過振動加速度傳感器與麥克風(fēng)信號對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加速度不大于0.9g時，麥克風(fēng)信號沒有異響；當(dāng)加速度在1.6～0.9g時，麥克風(fēng)信號有輕微異響；當(dāng)加速度大于1.6g時，麥克風(fēng)信號有明顯異響。3組模擬臺架試驗結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明：組1在模擬實驗15%進(jìn)程后開始發(fā)出異響，30%進(jìn)程后異響明顯且不斷加大；組2在30%進(jìn)程中開始發(fā)出異響，60%進(jìn)程后異響明顯且不斷加大但異響始終好于組1；組3直至進(jìn)程60%都無異響，在進(jìn)程90%有一件輕微異響。縱觀3組樣件，明顯組3的噪聲表現(xiàn)最為優(yōu)異，從而驗證了超聲波清洗對消除轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲的有效性。

表2 3組模擬臺架試驗結(jié)果

5.2 整車路試試驗

整車路試試驗是整車開發(fā)流程中必不可少的驗證環(huán)節(jié)，它能最有效、全面、真實地驗證產(chǎn)品是否在整個設(shè)計壽命內(nèi)滿足絕大多數(shù)的使用工況。

本文通過對不同車輛進(jìn)行超聲波清洗轉(zhuǎn)向軸路試試驗，超聲波清洗轉(zhuǎn)向軸路試匯總見表3。由表可以看出，超聲波清洗轉(zhuǎn)向軸在客戶的路試端全部通過考核，并且測試結(jié)果顯示均無噪聲，即無一例抱怨轉(zhuǎn)向軸噪聲。這也驗證了本文的改善方案是可行的，有效解決了轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲問題。

表3 超聲波清洗轉(zhuǎn)向軸路試匯總

5.3 售后市場統(tǒng)計

一般整車廠通過 IPTV(incidents per thousand vehicles)來統(tǒng)計車輛各個零部件的質(zhì)量情況。整車廠對于IPTV的要求一般是小于0.5。這里展示了兩款車型在切換超聲波清洗轉(zhuǎn)向軸前后的IPTV 統(tǒng)計，如圖12所示。結(jié)果表明兩款車12個月的IPTV分別從200和150降到了幾乎為零。所以從售后市場上的數(shù)據(jù)反饋來看，改善是相當(dāng)成功的，徹底解決了轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲問題。

圖12 兩款車型IPTV統(tǒng)計

6 結(jié)束語

本文針對某乘用車管柱電動助力轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲問題，使用了NVH測量鎖定噪聲源，通過理論研究和拆解分析檢測發(fā)現(xiàn)油膜破壞是造成轉(zhuǎn)向軸黏滑噪聲的原因。增加超聲波清洗工藝對旋鍛外管內(nèi)花鍵進(jìn)行清洗，可以去除加工殘留的有機(jī)物和無機(jī)物。同時又對整車路試數(shù)據(jù)采集制定了模擬臺架試驗參數(shù)。最后對工藝優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行臺架模擬和整車路試的驗證，確認(rèn)了有效性。在工藝優(yōu)化后轉(zhuǎn)向軸批量生產(chǎn)后收集了市場的售后數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)再次表明改善后的轉(zhuǎn)向軸徹底消除了黏滯噪聲的問題。