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汽車傳動(dòng)軸高頻嘯音NVH問題研究與解決
2021-10-14 20:06:53· 來源：汽車NVH之家
作者 | 李小北/北京奔馳汽車有限公司摘要：噪聲、振動(dòng)和舒適性，即NVH（N-noise，V-vibration，H-Harshness），是衡量汽車制造質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo)，影響著汽車乘
作者 | 李小北/北京奔馳汽車有限公司
摘要：噪聲、振動(dòng)和舒適性，即NVH（N-noise，V-vibration，H-Harshness），是衡量汽車制造質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo)，影響著汽車乘坐舒適性，也成為各大汽車商家競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)尺，特別是對(duì)于高端乘用車，顧客對(duì)車內(nèi)噪聲要求更是到了苛刻的地步。實(shí)踐證明，汽車上幾乎所有的子系統(tǒng)都與NVH 問題緊密聯(lián)系。作者所在的汽車企業(yè)對(duì)于NVH問題尤為關(guān)注，質(zhì)量部門在日?？己酥袝r(shí)有發(fā)現(xiàn)各類噪音，振動(dòng)，舒適性等問題，在與德國同款車型對(duì)比后，存在共性及中國獨(dú)有問題。如變速箱相關(guān)噪音問題多為共性問題，傳動(dòng)軸及半軸類問題多為中國獨(dú)有問題。此類問題對(duì)車型的銷售及車型品牌造成了不良影響，因此必須分析此類問題產(chǎn)生的原因并制定合適的措施，盡可能消除或阻隔此類噪音，徹底解決問題。為此，文章系統(tǒng)研究了NVH 類噪音問題發(fā)現(xiàn)及解決機(jī)理，從消除振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的根源出發(fā)，采用隔振及優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法有效解決了NVH 問題，避免了重新設(shè)計(jì)所需要的高成本，并在最短時(shí)間內(nèi)在市場(chǎng)體現(xiàn)，有效改善了客戶滿意度，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。后文將結(jié)合傳動(dòng)軸高頻嘯音的實(shí)際案例詳細(xì)闡述問題解決過程及優(yōu)化方案。
前言
隨著人們生活水平的不斷提高，噪聲污染問題逐漸引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。而交通噪聲污染是影響人類生活的噪聲污染之一，汽車產(chǎn)生的噪聲污染占據(jù)了其中 70%。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車上的動(dòng)力部件，為汽車提供動(dòng)力的同時(shí)也會(huì)給汽車帶來噪聲問題，它所帶來的噪聲問題超過汽車噪聲的50%。
從汽車的發(fā)展來看，發(fā)動(dòng)機(jī)功率在汽車發(fā)展初期處于較低的水平，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)都在低速條件下運(yùn)行，因此汽車的振動(dòng)與噪聲問題不明顯。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車朝著高效、舒適的方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與汽車車速不斷提高，由此帶來的振動(dòng)與噪聲問題日益凸顯。相關(guān)研究表明，汽車在行駛過程中的振動(dòng)與噪聲將會(huì)影響到駕駛員的駕駛行為，從而給汽車行駛安全帶來隱患。因此，人們趨于選擇具有安靜、平穩(wěn)的駕駛環(huán)境的汽車。由此可見，汽車的振動(dòng)與噪聲性能影響到產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。提升這方面的性能將為汽車帶來更為廣闊的市場(chǎng)。所以，對(duì)汽車駕駛艙內(nèi)噪聲和振動(dòng)控制是汽車設(shè)計(jì)與制造過程中關(guān)鍵對(duì)象。汽車的NVH 問題主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪音振動(dòng)，車輪與路面接觸振動(dòng)，車輪胎噪，行駛過程中風(fēng)噪，電子元器件工作噪音，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)平衡問題導(dǎo)致的噪音，各系統(tǒng)關(guān)鍵位置軸承噪音等等類型，在汽車行駛過程當(dāng)中一直處于工作狀態(tài)各個(gè)系統(tǒng)不同程度的為NVH 帶來貢獻(xiàn)。研究各系統(tǒng)的工作機(jī)理與傳播途徑，進(jìn)而通過調(diào)整零部件結(jié)構(gòu)、懸置阻尼或車身板件剛度等影響振動(dòng)與噪聲傳播途徑的關(guān)鍵參數(shù)， 來切斷或削弱振動(dòng)與噪聲的傳播途徑，改善汽車的振動(dòng)和噪聲問題。
1 NVH 問題根本原因分析原理
1.1 NVH 具體定義
NVH（噪聲、振動(dòng)、舒適性）是對(duì)于車輛噪音及振動(dòng)特性的研究。噪音及振動(dòng)可以通過技術(shù)手段被實(shí)際測(cè)量，而舒適性僅是主觀評(píng)價(jià)，可以通過組建多人評(píng)分，取評(píng)分的平均值的方式得出結(jié)果。當(dāng)下各大汽車研究領(lǐng)域?qū)τ贜VH 問題投入大量的人力跟物力，已追求更好的整車NVH 狀態(tài)。再次NVH 問題一般發(fā)生于整車設(shè)計(jì)結(jié)束之后，如發(fā)現(xiàn)噪音后采取重新設(shè)計(jì)的方法成本及時(shí)間投入過大， 所以一般解決NVH 問題均采用阻斷傳播路徑或抑制噪音等被動(dòng)方式，或采用主動(dòng)降噪方式國內(nèi)主機(jī)廠均有采用。
1.2 NVH 的源頭
NVH 的源頭主要來源于三大方面：空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)（如風(fēng)噪，空調(diào)風(fēng)噪音等等），機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)（如動(dòng)力系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)）以及電子電器相關(guān)（如隱藏式倒車攝像頭翻轉(zhuǎn)電機(jī)噪音）。本文此次研究對(duì)象傳動(dòng)軸高頻噪音，在經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，交叉試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)確定后，最終確定了噪音來源，文后將詳細(xì)闡 明。
1.3 聲音及振動(dòng)轉(zhuǎn)播途徑
聲音傳動(dòng)的主要途徑可以分為空氣傳播及固體結(jié)構(gòu)傳播，主要區(qū)別在于傳播速度不同，空氣傳播噪音僅為聲音在空氣中傳播速度 343m/s，在固體結(jié)構(gòu)中傳播速度取決于其本身特性，如聲音在橡膠中傳播速度為1500m/s，在鋼結(jié)構(gòu)中傳播速度為5900m/s，在鋁結(jié)構(gòu)中傳播速度為 6300m/s。但是對(duì)于汽車相關(guān)的NVH 問題大多數(shù)為空氣傳播與固體機(jī)構(gòu)傳播的結(jié)合類問題。本文此次研究的傳動(dòng)軸高頻噪音主要通過其與車身的連接點(diǎn)傳入駕駛艙后，再次傳入人耳。通過
頭戴式噪音錄制設(shè)備及聲學(xué)早相機(jī)可以定位出其噪音主要傳遞來源于車內(nèi)中央通道中后部，但依然不排除噪音是由其他部件產(chǎn)生。
1.4 頻率，振幅，波長(zhǎng)及階次
1.4.1 頻率
頻率 f 是每秒重復(fù)事件（時(shí)間單位）。物理單位為 Hz。用來衡量聲音的高低。見以下公式，在此次本文研究中，該噪音頻率與固有零件噪音頻率階次均不同。
1.4.2 振幅
振幅A0 是最大值；在大多數(shù)情況下，使用有效值A(chǔ)eff（RMS =根均方）。用來衡量聲音的大小。
1.4.3 波長(zhǎng)
波長(zhǎng)λ 定義為在同一相的 2 點(diǎn)之間最短距離。波長(zhǎng)λ，頻率f 和聲音速度C 之間的關(guān)系可以表達(dá)為：
1.4.4 階次
階次的定義為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件完成一個(gè)循環(huán)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，已8 缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例， 在 1200rpm 轉(zhuǎn)速下：
以上各參數(shù)均可通過設(shè)備進(jìn)行測(cè)量或直接讀取，在噪音分析過程中，起到極其重要的作用。在通常情況下，以某品牌四缸發(fā)動(dòng)機(jī)車型為例，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)噪音以 2 階次為活塞工作噪音，2 階次噪音可以激勵(lì)其他 4 階次，8 階次， 16階次等噪音，傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱噪音各檔位階次各不相同，但其輸出軸與傳動(dòng)軸及差速器輸入周之間無齒輪傳動(dòng)，僅為撓性或萬向節(jié)傳動(dòng)。如噪音由差速器產(chǎn)生，則其噪音為 36 階次或其他階次（取決于差速器內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)使其噪音為固定階次）。
圖1
2 傳動(dòng)軸高頻噪音的研究
汽車的噪音（Noise）、振動(dòng)（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）統(tǒng)稱為汽車的 NVH 特性，是衡量汽車設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量的一個(gè)重要因素。隨著人們環(huán)境、健康意識(shí)的不斷提高，車輛的舒適度及品質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注，較高噪音和振動(dòng)的車輛不僅對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生聲污染，同時(shí)也危害駕駛員和乘客的健康。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)上，提高車輛噪音水平已成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。與此同時(shí)，國際市場(chǎng)越來越嚴(yán)格的汽車噪音標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛的準(zhǔn)入設(shè)定了更高的限制。在此背景下，車輛的 NVH 性能正成為汽車研發(fā)過程中最為重要的性能指標(biāo)，也是用戶所關(guān)心的整車性能指標(biāo)之一，汽車噪音控制水平必將成為汽車技術(shù)創(chuàng)新的重要高地，與之相關(guān)的分析、測(cè)試及材料技術(shù)等自然成為汽車工程領(lǐng)域關(guān)注的新焦點(diǎn)。
對(duì)于傳動(dòng)軸高頻嘯音的研究，找出其發(fā)生機(jī)理，解決問題根本所在，刻不容緩。該噪音在特定的環(huán)境條件下極易復(fù)現(xiàn)，如在北方嚴(yán)寒冬季客戶抱怨會(huì)急劇增加，為將問題解決在初期階段，本文將深入研究其問題產(chǎn)生條件及根本原因，側(cè)重從整車噪音采集，交叉試驗(yàn)，具體零件噪音分析等過程詳細(xì)描述噪音解決過程及給出最終方案。
2.1 傳動(dòng)軸高頻嘯音的產(chǎn)生機(jī)理
傳動(dòng)軸作為主要傳動(dòng)部件，起到連接變速箱及差速器的作用，傳動(dòng)軸一般為兩段式，中間多選用萬向節(jié)連接，用軸承配合支架連接到車身對(duì)中段起到支撐作用。傳動(dòng)軸作為旋轉(zhuǎn)零部件在動(dòng)平衡合格，裝配角度合格等條件下不易產(chǎn)生噪音。某品牌轎車傳動(dòng)軸兩端為橡膠撓性連接對(duì)于降噪起到了更好的作用，為了輕量化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸采用軸管式設(shè)計(jì)，其動(dòng)平衡要求較高，但在不同的轉(zhuǎn)速下由于軸管強(qiáng)度的原因，較高轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)平衡傳動(dòng)軸轟鳴噪音，軸管動(dòng)平衡貼片不能起到太大的作用，這樣就需要使用固定頻率的諧振塊安裝在差速器后端用于抑制傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的轟鳴噪音，但此課題不在本次研究范圍內(nèi)。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，高頻噪音多由金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，金屬齒輪嚙合或軸承旋轉(zhuǎn)噪音。而究其原因，齒輪嚙合類噪音多為跨棒距設(shè)計(jì)不合理，或表面粗糙度不 良，或裝配應(yīng)力提前磨損，或潤(rùn)滑失效所導(dǎo)致。
2.2 傳動(dòng)軸高頻嘯音問題初步分析
通過使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行記錄及軟件分析得出，在低溫及固定檔位下，該噪音可隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化持續(xù)發(fā)生，頻率在780-900hz。由于從變速箱輸出端至傳動(dòng)軸至差速器輸入端，均為撓性連接，即傳動(dòng)系統(tǒng)噪音階次均為36 階，無法區(qū)分出噪音來源于變速箱或傳動(dòng)軸或差速器，基于測(cè)量結(jié)果該噪音階次與36 階不符，且主觀評(píng)價(jià)該噪音來源于車中后部地板下傳至車內(nèi)，由此判斷，傳動(dòng)軸中間支架處高度疑似噪音發(fā)生源。且該傳動(dòng)軸高頻嘯音受溫度影響，低溫狀態(tài)下可復(fù)現(xiàn)，完全熱車后噪音消失，高溫狀態(tài)下噪音消失。為驗(yàn)證分析結(jié)果，重復(fù)多次進(jìn)行交叉試驗(yàn)，排除裝配導(dǎo)致噪音的可能性，最終確認(rèn)噪音隨產(chǎn)生噪音的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)移。見圖2FFT vs time 結(jié)果所示頻率在780-900hz 之間。噪音源高度疑似位置見圖3。
圖2
圖3
2.3 臺(tái)架試驗(yàn)深入分析傳動(dòng)軸高頻噪音來源
2.3.1 測(cè)試目的及方法
測(cè)試低溫及常溫狀態(tài)下傳動(dòng)軸高頻噪音發(fā)生條件及產(chǎn)生的區(qū)間范圍。被測(cè)試傳動(dòng)軸在低溫保存（-24 攝氏度，14 小時(shí)）后裝配至試驗(yàn)臺(tái)，從傳動(dòng)軸靜止開始記錄，最高到達(dá)2200rpm，記錄傳動(dòng)軸中間軸承噪音及振動(dòng)。待傳動(dòng)軸溫度與室溫一致時(shí)重復(fù)試驗(yàn)并記錄。主要使用加速度傳感器測(cè)量中間軸承支架振動(dòng)，近距離麥克風(fēng)用于直接記錄軸承噪音，遠(yuǎn)距離麥克風(fēng)用于模擬主觀評(píng)價(jià)噪音。具體設(shè)置如下圖4 及圖5 所示：
圖4
圖 5
2.3.2 測(cè)試條件及結(jié)果具體記錄
測(cè)試結(jié)果需分4 段連續(xù)記錄：0-1300rpm 記錄15 秒，1300-2200rpm 記錄90 秒，2200rpm 記錄60 秒，2200-0rpm記錄60 秒，并且需要記錄不同溫度下噪音水平，具體如下圖6 所示：
圖6
（1）結(jié)果分析
基于以下圖示結(jié)果，傳動(dòng)軸軸承噪音在不同溫度不同轉(zhuǎn)速下，噪音存在差別，但噪音清晰，可再現(xiàn)，可最終確定為傳動(dòng)軸軸承噪音。在1300rpm 至2200rpm 及2200rpm 至0rmp 過程中噪音尤為明顯。下圖7 為負(fù)24 攝氏度測(cè)量結(jié)果。
圖7
下圖8為室溫設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)從0至1700rpm 至0的測(cè)量結(jié)果。
圖8
下圖9為室溫設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)從0至2200rpm 至0的測(cè)量結(jié)果。
圖9
下圖10 為負(fù)24 攝氏度0-1300-2200-0rpm 加速度傳感器測(cè)量結(jié)果。
圖10
下圖11 為室溫17 攝氏度0-1700-0rpm 加速度傳感器測(cè)量結(jié)果。
圖11
下圖12 為室溫24 攝氏度0-2200-0rpm 加速度傳感器測(cè)量結(jié)果。
圖12
下圖13 為聲譜分析結(jié)果，分別在為負(fù)24 攝氏度及室溫下的聲譜分析結(jié)果。可以更直觀的查看噪音現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)速增大及降低的過程中，噪音明顯。
圖13
（2）解決方案
通過試驗(yàn)確定了傳動(dòng)軸中間軸承為噪音來源，通過更換低溫潤(rùn)滑特性更好的潤(rùn)滑脂后，經(jīng)過一些列耐久試驗(yàn)，最終該方案得到放行。從而避免了客服抱怨的可能，保證了公司的品牌形象及產(chǎn)品質(zhì)量。該方案最終被同時(shí)應(yīng)用于其他低溫較低地域。
3 結(jié)論
隨著科技發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，家用乘用車設(shè)計(jì)對(duì)于顧客的乘坐舒適性越來越注重，駕駛艙內(nèi)噪音是其中極其重要的關(guān)鍵指標(biāo)。在遇到車內(nèi)噪音問題，如傳動(dòng)軸高頻嘯聲時(shí)，先期很難直接判斷噪音來源于傳動(dòng)軸軸承，但是通過測(cè) 量，交叉試驗(yàn)，可最終確定噪音源來源于傳動(dòng)軸，為了確認(rèn)下一步傳動(dòng)軸具體發(fā)生噪音的位置及臺(tái)架試驗(yàn)做好鋪墊，該噪音的產(chǎn)生源于設(shè)計(jì)開發(fā)階段考慮的條件及工況不足，導(dǎo)致下級(jí)零部件未達(dá)到相關(guān)要求。該噪音雖為偶發(fā)，沒有必然發(fā)生的可能，但該噪聲會(huì)直接導(dǎo)致客戶的抱怨，影響產(chǎn)品品質(zhì)。
本文就潛在客戶抱怨問題，對(duì)傳動(dòng)軸所在傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)于傳動(dòng)軸工作噪音原理、傳播途徑進(jìn)行了全面的探索，最終發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸高頻嘯聲的主要傳播路徑是：傳動(dòng)軸軸承—金屬支架—白車身—乘員艙。通過更換傳動(dòng)軸下級(jí)件傳動(dòng)軸中間軸承潤(rùn)滑脂，使得駕駛艙內(nèi)噪音消失，該方案的成本遠(yuǎn)小于重新設(shè)計(jì)新的軸承所需成本，并可由下級(jí)零部件供應(yīng)和說那個(gè)即可應(yīng)用， 快速是實(shí)在生產(chǎn)和售后中，有效消除了客戶抱怨，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。
基于傳動(dòng)軸中間軸承高頻嘯聲產(chǎn)生的原因由測(cè)試不足導(dǎo)致，在以后的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度條件及下級(jí)零部件開發(fā)過程，各零部件的選用務(wù)必符合相應(yīng)的測(cè)試條件，方可杜絕此類問題的發(fā)生。
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