摘 要

某橫置發(fā)動(dòng)機(jī)前驅(qū)車(chē)型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，低檔位全油門(mén)加速至發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工況時(shí)松油門(mén)瞬間車(chē)內(nèi)存在明顯“嗞嗞”異常噪聲，嚴(yán)重影響車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)。通過(guò)電子聽(tīng)診器診斷主要來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)一步通過(guò)整車(chē)半消室進(jìn)行客觀詳細(xì)測(cè)試分析，異常噪聲來(lái)源于右驅(qū)動(dòng)半軸的中間支撐軸承位置。在激勵(lì)力或軸承轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動(dòng)的瞬態(tài)工況下，軸承在高速滾動(dòng)時(shí)，受滾動(dòng)體徑向游隙的影響，由于油膜破裂導(dǎo)致軸承振蕩敲擊內(nèi)外圈軸承座，進(jìn)而產(chǎn)生敲擊噪聲。本文詳細(xì)闡述了敲擊噪聲的客觀測(cè)試方法，并深入分析了軸承滾動(dòng)體敲擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，最終通過(guò)降低滾動(dòng)體徑向游隙以及更改中間支架材料的方案降低了軸承振動(dòng)的幅值，異常敲擊噪聲得以?xún)?yōu)化解決。目前隨著混合動(dòng)力車(chē)型和純電動(dòng)車(chē)型的開(kāi)發(fā)，基本都采用帶有中間軸承的三段式驅(qū)動(dòng)軸，且隨著驅(qū)動(dòng)扭矩不斷增大，Tip in/Tip out等瞬態(tài)工況工作更惡劣，相關(guān)問(wèn)題成逐年增多的態(tài)勢(shì)。此類(lèi)問(wèn)題行業(yè)優(yōu)化案例較少，為工程開(kāi)發(fā)提供了較好的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)半軸；異常噪聲；角接觸深溝球軸承；徑向游隙；敲擊噪聲；

作者：溫國(guó)慶，張軍，陳贊，胡壽品，李雪松

（吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

1. 引 言

近些年由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率，扭矩的不斷提升，以及混動(dòng)及純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，輪端驅(qū)動(dòng)扭矩不斷提升，致使驅(qū)動(dòng)半軸引起的相關(guān)振動(dòng)噪聲問(wèn)題也隨之增多，影響了車(chē)輛的乘坐舒適性及車(chē)內(nèi)聲音的品質(zhì)感，驅(qū)動(dòng)半軸相關(guān)的問(wèn)題逐漸受到行業(yè)的重視。

目前針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)特別是驅(qū)動(dòng)半軸相關(guān)的噪聲問(wèn)題研究也越來(lái)越深入，張軍等[1]分析了差速器異響問(wèn)題的潛在機(jī)理和解決思路，并通過(guò)行星軸定位裝配方式和加工工藝的優(yōu)化，準(zhǔn)確有效地消除了該車(chē)型差速器的異響。張浩等[2]分析了某純電動(dòng)轎車(chē)急加速驅(qū)動(dòng)軸異響，識(shí)別異響來(lái)源于球籠式萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的擠壓摩擦導(dǎo)致，通過(guò)改善潤(rùn)滑油脂的成分比例，提升潤(rùn)滑油脂的潤(rùn)滑性能解決了異響問(wèn)題。張凱，張軍等[3]分析了驅(qū)動(dòng)半軸與輪轂軸承面在起步?jīng)_擊下黏滑摩擦引起的噪聲問(wèn)題，并通過(guò)表面磷化工藝處理改善摩擦特性解決了異響問(wèn)題。以上文獻(xiàn)主要針對(duì)傳動(dòng)軸的萬(wàn)向節(jié)，輪端，齒輪配合等研究較多，針對(duì)中間軸軸承相關(guān)的異常振動(dòng)噪聲問(wèn)題研究較少。 

本文主要研究在瞬態(tài)激勵(lì)工況下，由于驅(qū)動(dòng)軸中間支撐軸承徑向游隙過(guò)大導(dǎo)致的滾動(dòng)體振蕩敲擊內(nèi)外圈引起的異常噪聲問(wèn)題，同時(shí)分析噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及控制措施。

2.問(wèn)題描述

2.1 問(wèn)題工況測(cè)試分析

某前驅(qū)轎車(chē)急加速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速上升至4500rpm后，全油門(mén)踩下油門(mén)踏板或松開(kāi)油門(mén)踏板瞬間，在低檔位發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工況，車(chē)內(nèi)出現(xiàn)明顯的“滋滋聲”，車(chē)內(nèi)聲音品質(zhì)感較差。通過(guò)不同工況驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)只有在高轉(zhuǎn)速下突然松開(kāi)油門(mén)瞬間存在異響噪聲，低轉(zhuǎn)速及持續(xù)加速過(guò)程中無(wú)此異響問(wèn)題。

在帶有轉(zhuǎn)轂的整車(chē)半消聲室內(nèi)，通過(guò)電子聽(tīng)診器初步排查噪聲主要來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)，為進(jìn)一步鎖定噪聲源進(jìn)行客觀測(cè)試，在車(chē)內(nèi)駕駛員耳旁布置麥克風(fēng)，右半軸中間軸承支架位置，左轉(zhuǎn)向節(jié)及右轉(zhuǎn)向節(jié)位置分別布置振動(dòng)傳感器，振動(dòng)布置示意如圖1所示。

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)問(wèn)題工況，確定客觀測(cè)試工況為2檔全油門(mén)加速至發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)后立刻松開(kāi)油門(mén)踏板，進(jìn)行帶檔滑行，采集此過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的聲音及振動(dòng)信號(hào)。分別測(cè)試了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速松油的狀態(tài)，包括2500rpm，3500rpm，4500rpm，5000rpm四個(gè)最高轉(zhuǎn)速，每個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行多組測(cè)試。由于該問(wèn)題為瞬態(tài)問(wèn)題，選擇了其中一組主觀明顯的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 振動(dòng)傳感器布置示意

采集的時(shí)域數(shù)據(jù)如圖2所示，測(cè)試過(guò)程共分三個(gè)階段，第一階段為全油門(mén)加速工程，時(shí)間位于8.5S-10.8S區(qū)間，此過(guò)程中隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升振動(dòng)隨之增大，在轉(zhuǎn)速3500-4500rpm區(qū)間，中間支架振動(dòng)由10g增大至22g，主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速燃燒噪聲等影星，左右半軸振動(dòng)小于0.5g，無(wú)異常振動(dòng)點(diǎn)。第二階段為問(wèn)題發(fā)生階段，即松油門(mén)瞬間，時(shí)間位于10.8-11.5S區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受慣性影響會(huì)在高轉(zhuǎn)速維持一段時(shí)間，此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，燃燒激勵(lì)變小，但中間軸支架振動(dòng)確異常增大，幅值達(dá)30g，與車(chē)內(nèi)異常噪聲時(shí)刻對(duì)應(yīng)，右轉(zhuǎn)向節(jié)振動(dòng)0.5g增大至1.6g，但明顯小于中間支架振動(dòng)，初步判斷是支架位置振動(dòng)通過(guò)右半軸傳遞導(dǎo)致。第三階段為降速區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，異常振動(dòng)及聲音消失，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨之降低。

圖2 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)對(duì)比

針對(duì)第二階段的聲音濾波回放確認(rèn)異常噪聲的主要問(wèn)題頻率區(qū)間為200-600Hz，對(duì)中間支架振動(dòng)采用帶通200-600Hz進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波，可以看到該異響為明顯的敲擊噪聲，對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特變化[11]，如下圖3所示。進(jìn)一步進(jìn)行傅里葉變換，得到的頻譜曲線如圖4所示，敲擊發(fā)生的頻率主要為292Hz，其次為220Hz。初步半段異響源頭位于右半軸中間支架附近存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或配合間隙的軸承或球銷(xiāo)類(lèi)零件之間振蕩敲擊產(chǎn)生。

圖3 帶通濾波和希爾伯特變

圖4 希爾伯特變換數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析

2.2 中間軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該車(chē)型采用左右等長(zhǎng)式等速驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，即右驅(qū)動(dòng)軸為帶中間軸的兩段式結(jié)構(gòu)，采用此結(jié)構(gòu)的主要原因如下：一是該車(chē)型為1.5升缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配7DCT雙離合變速器，輸出扭矩較高，為了規(guī)避在急加速過(guò)程中由于左右半軸扭轉(zhuǎn)剛度不等導(dǎo)致的扭矩轉(zhuǎn)向問(wèn)題，采用左右等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。二是該發(fā)動(dòng)機(jī)為不帶平衡軸結(jié)構(gòu)，二階往復(fù)慣性力在高轉(zhuǎn)速較大，非等長(zhǎng)式半軸結(jié)構(gòu)，右半軸一般長(zhǎng)度較長(zhǎng)，半軸一階彎曲模態(tài)較低，與發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)頻率無(wú)法實(shí)現(xiàn)避頻，容易引起高轉(zhuǎn)速加速轟鳴問(wèn)題，采用兩段式結(jié)構(gòu)，縮短每段的長(zhǎng)度提高半軸一階彎曲模態(tài)。三是其他空間布置因素的考慮，包括與副車(chē)架，轉(zhuǎn)向拉桿等其他零部件的動(dòng)態(tài)間隙考慮。

中間軸一端與主減速器通過(guò)花鍵連接，另一端中間軸與內(nèi)球籠的鐘形殼為一體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)角接觸型滾動(dòng)軸承與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的中間支架采用過(guò)渡配合的方式連接，該位置主要存在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合結(jié)構(gòu)。

相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置一為右半軸中間軸承位置，中間軸與支架通過(guò)滾珠軸承連接，支架通過(guò)兩顆螺栓安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上起支撐作用；軸承采用的是6209型深溝球12滾珠軸承，軸承參數(shù)如表1所示，理論徑向工作游隙72-90um。

相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置二為右半軸內(nèi)球籠滑移節(jié)結(jié)構(gòu)。右半軸與三球銷(xiāo)支架過(guò)盈配合連接無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。三球銷(xiāo)與支架通過(guò)滾針軸承連接，三球銷(xiāo)沿球銷(xiāo)支架進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，三球銷(xiāo)與鐘形殼內(nèi)滑道間隙配合，沿軸線方向滑動(dòng)運(yùn)行。

具體結(jié)構(gòu)及配合關(guān)系示意如圖5所示。

表1 軸承參數(shù)

圖5 中間軸承位置結(jié)構(gòu)及配合示意圖

3.問(wèn)題排查

3.1內(nèi)球籠滑移節(jié)分析

針對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置二，制作不同間隙和過(guò)盈量樣件進(jìn)行方案驗(yàn)證，特別是對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)大的三球銷(xiāo)與鐘形殼內(nèi)滑道間隙進(jìn)行驗(yàn)證。樣件制作方案及驗(yàn)證結(jié)論如表2所示，降低圓周間隙或者更改為過(guò)盈配合對(duì)異響問(wèn)題都無(wú)改善，初步排除相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置二的影響。

表2 球銷(xiāo)與鐘形殼圓周間隙驗(yàn)證

3.2角接觸滾動(dòng)軸承分析

軸承產(chǎn)生噪聲的主要原因有兩項(xiàng)：一是來(lái)自軸承周向的作用力引起的軸承座的彈性變形，軸承座的變形與球一起旋轉(zhuǎn)，在承受來(lái)自球方向的接觸負(fù)荷作用下產(chǎn)生彎曲變形，形成對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特征，通過(guò)零部件或空氣傳播到周?chē)慵挟a(chǎn)生聲波噪聲。另一種是由于徑向載荷的作用，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，剛度會(huì)變化，變化的結(jié)果同樣產(chǎn)生與第一種情況相同的軸承座的相對(duì)位移，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲[7]。

對(duì)于中間軸軸承來(lái)說(shuō)，軸承內(nèi)圈與中間軸過(guò)盈連接，中間軸一側(cè)與變速器為花鍵連接，另一側(cè)與三球銷(xiāo)的等速滑移節(jié)連接，軸向受力較小，主要是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)及軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的徑向力激勵(lì)以及角接觸球軸承的軸向不對(duì)中引起的偏擺。

軸承在較大徑向力Fr作用下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，受內(nèi)外軸承座的彈性變形以及滾動(dòng)體徑向游隙的影響，一部分軸承參與受力支撐，滾動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈接觸，另一部分滾動(dòng)體在滾動(dòng)的同時(shí)未與內(nèi)圈或外圈同時(shí)接觸，接近自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且由于軸承內(nèi)外圈變形即滾動(dòng)體動(dòng)態(tài)擠壓影響，潤(rùn)滑油膜局部破裂。在激勵(lì)力或軸承轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動(dòng)情況下，例如在急加速過(guò)程中突然松開(kāi)油門(mén)踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和中間軸轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇變化，軸承中處于自由狀態(tài)的滾動(dòng)體在油膜破裂位置敲擊內(nèi)/外軸承座，進(jìn)而產(chǎn)生敲擊噪聲，且徑向游隙越大，滾動(dòng)體的敲擊噪聲越大。如圖6所示

圖6 軸承振動(dòng)敲擊原理示意

因此如何選擇合理的徑向游隙對(duì)敲擊噪聲影響重大，軸承徑向游隙主要影響因素分解如圖7所示。

圖7 徑向游隙影響因素

通過(guò)改變軸承滾道直徑，滾動(dòng)體數(shù)量以及滾動(dòng)體直徑等方式降低軸承的徑向游隙，軸承方案及參數(shù)如表3所示。 

表3 不同徑向游隙軸承

分別裝車(chē)進(jìn)行效果驗(yàn)證，軸承支架處振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如下圖8所示，隨著徑向游隙減小后，振動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)降低。軸承支架位置振動(dòng)幅值原狀態(tài)為8g，方案一的振動(dòng)幅值為4g，降低達(dá)50%。方案二的振動(dòng)幅值為5.5g， 降低30%。

圖8 軸承游隙對(duì)支架振動(dòng)影響

針對(duì)軸承潤(rùn)滑油脂的影響，選用不同性能的潤(rùn)滑油脂進(jìn)行驗(yàn)證，如下表4，油脂主要區(qū)別為油脂滴點(diǎn)不同，即高溫下油脂的粘稠度差異，進(jìn)而影響實(shí)際工作中油膜厚度及狀態(tài)。

表4軸承不同潤(rùn)滑油脂參數(shù)對(duì)比

圖9 潤(rùn)滑油脂對(duì)軸承支架振動(dòng)影響

通過(guò)更換不同潤(rùn)滑油脂實(shí)車(chē)驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示，方案一效果最好，支架振動(dòng)為4.7g，較原狀態(tài)降低0.8g。方案二潤(rùn)滑油脂較原狀態(tài)振動(dòng)增大，最大幅值達(dá)6.7g。試驗(yàn)表明潤(rùn)滑油脂會(huì)影響到軸承內(nèi)潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)，特別是對(duì)于瞬態(tài)工況下由于受力不均導(dǎo)致的油膜破裂，進(jìn)而影響軸承的敲擊噪聲。

3.3 軸承支架分析

軸承支架位置振動(dòng)除了與軸承內(nèi)滾動(dòng)體沖擊振動(dòng)大小有關(guān)，還與軸承與支架間振動(dòng)的傳遞有關(guān)。

分別選用不同配合尺寸的支架以及不同材質(zhì)的不同支架進(jìn)行效果驗(yàn)證，方案及對(duì)應(yīng)結(jié)果如表5所示。

表4軸承不同潤(rùn)滑油脂參數(shù)對(duì)比

軸承與支架過(guò)盈或間隙配合，支架振動(dòng)無(wú)明顯變化，將原車(chē)鋁合金支架材質(zhì)更換為鑄鐵材質(zhì)，振動(dòng)幅值降低1.3g以上。主要原因?yàn)槊芏忍嵘?，支架重量增加，可以視作在軸承外圈增加了集中質(zhì)量，在支架振動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性阻力，降低軸承振動(dòng)的傳遞。

另外在軸承與支架間采用硫化橡膠的工藝，將軸承與支架間增加隔振也可以降低軸承振動(dòng)的向外傳遞，此方案也可以作為降低路徑傳遞的潛在優(yōu)化方案。

4.工程優(yōu)化方案

根據(jù)影響因素驗(yàn)證分析結(jié)果，中間軸承本體的以及支架的振動(dòng)傳遞都會(huì)對(duì)軸承滾動(dòng)體振動(dòng)敲擊噪聲有較明顯的影響。本文最終同時(shí)采用軸承本體降低徑向游隙至15-30um，潤(rùn)滑油滴點(diǎn)＞280℃的油脂以及鑄鐵材質(zhì)支架三個(gè)方案組合優(yōu)化軸承敲擊噪聲問(wèn)題。原狀態(tài)與最終優(yōu)化效果對(duì)比如圖10所示。支架振動(dòng)幅值由原狀態(tài)8g降低至2g。主觀評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)無(wú)明顯敲擊噪聲，改善效果較好。

圖10 優(yōu)化方案改善前/后支架振動(dòng)對(duì)比

5.結(jié)語(yǔ)

隨著行業(yè)內(nèi)，純電和插電混動(dòng)車(chē)型的迭代開(kāi)發(fā)，驅(qū)動(dòng)扭矩的不斷增大，為了規(guī)避加速過(guò)程中扭矩轉(zhuǎn)向及加速轟鳴等問(wèn)題，基本都選用了三段式左右等長(zhǎng)式驅(qū)動(dòng)半軸，相較兩段式驅(qū)動(dòng)半軸，右半軸的零部件數(shù)量以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系變的更加復(fù)雜，異常噪聲問(wèn)題也隨之增多。特別式在Tip in/Tip out大扭矩瞬態(tài)變化的工況下，軸承工作條件有越來(lái)越惡化的趨勢(shì)，對(duì)軸承的要求也越來(lái)越高，軸承游隙的控制尤為重要，過(guò)大或過(guò)小對(duì)噪聲都會(huì)有較大的影響。

軸承游隙除了徑向游隙，還有軸向游隙，同時(shí)游隙還分為初始游隙和工作游隙，因此除了考慮軸承本身的設(shè)計(jì)外，還要考慮實(shí)際的裝配工藝，以及與周邊件的配合關(guān)系等外界因素的影響。除了靜態(tài)參數(shù)影響，在動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)中還受結(jié)構(gòu)變形，潤(rùn)滑油膜等的因素影響。軸承相關(guān)異常振動(dòng)噪聲是瞬態(tài)，非定常且受多系統(tǒng)影響的復(fù)雜問(wèn)題，相關(guān)分析有待更深入的研究。本文只是通過(guò)單一車(chē)型，從徑向游隙的角度進(jìn)行了軸承滾動(dòng)體敲擊問(wèn)題進(jìn)行了解析，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化方案，為行業(yè)內(nèi)同類(lèi)問(wèn)題的解決提供了一定的參考依據(jù)。

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第一作者

溫國(guó)慶

NVH技術(shù)專(zhuān)家

吉利汽車(chē)中央研究院

吉利汽車(chē)中央研究院整車(chē)NVH技術(shù)專(zhuān)家，工程師，主要從事整車(chē)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)研究

E-mail:872524370@qq.com

通訊作者

張軍

博士，正高級(jí)工程師

吉利汽車(chē)研究院

上海交通大學(xué)博士，正高級(jí)工程師，現(xiàn)任吉利汽車(chē)研究院NVH技術(shù)專(zhuān)家，專(zhuān)注于振動(dòng)噪聲領(lǐng)域研究與工程實(shí)踐20多年。

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本文原載于《重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2024年12月。

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