車輛起步異響的分析與對策

李海亮，馮 畢，陳 濤，王 磊

Li Hailiang，F(xiàn)eng Bi，Chen Tao，Wang Lei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

車輛起步異響的分析與對策

李海亮，馮 畢，陳 濤，王 磊

Li Hailiang，F(xiàn)eng Bi，Chen Tao，Wang Lei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

車輛裝配下線后，在起步的瞬間出現(xiàn)異響的情況，經現(xiàn)場排查并對輪轂單元的裝配結構進行分析，確認半軸與輪轂單元之間的花鍵配合間隙為異響發(fā)生的根本原因。通過花鍵的結構優(yōu)化，增加減摩涂層等措施，解決車輛起步異響的問題，并對以后新開發(fā)車型提供開發(fā)思路；從設計之初就考慮該風險的影響因素，最大可能地消除異響噪聲，提高客戶滿意度。

驅動軸；輪轂單元；摩擦噪聲；減摩涂層

汽車驅動軸是車輛傳動系統(tǒng)中的重要組成部件，其作用是將發(fā)動機輸出的扭矩傳遞到車輪，驅動車輛向前行駛。驅動軸外端節(jié)與車輪輪轂通過柄部花鍵連接傳遞扭矩，并通過鎖緊螺母防止外端節(jié)和輪轂之間松脫，其裝配如圖 1所示。某車型裝配完成后，在起步瞬間，輪轂單元容易產生清脆的金屬異響，引起客戶的抱怨。

圖1 輪轂單元裝配圖

通過對連接配合狀態(tài)進行排查，確定問題產生的原因，針對原因進行相應的改進分析，并進行實車驗證，解決車輛啟動異響問題，提高客戶的滿意度并為以后車輛傳動系統(tǒng)的開發(fā)積累經驗。

1 故障描述及初步分析

1.1 故障描述

某車型在車輛啟動后，掛擋前進的瞬間，輪轂附近出現(xiàn)金屬異響，在起步后行駛過程中無此異響，車輛停止后，再次啟動前進，也無異響；但是在車輛掛倒擋起步的瞬間，輪轂附近再次出現(xiàn)金屬異響，車輛停止后，再次啟動倒車，也沒有異響；再次掛擋前進時，又出現(xiàn)異響。

通過多次測試得出，車輛在一次前進一次倒退間歇啟動的瞬間，輪轂附近會發(fā)生異響。

1.2 初步分析

通過對輪轂單元連接結構的分析以及實車測試得知，將鎖緊螺母鎖緊力矩逐漸降低，異響會有逐漸減弱的趨勢，將驅動軸外端節(jié)端面與軸承接觸的部位，涂潤滑油，異響有所減弱，且異響出現(xiàn)幾率有所降低。

2 故障原因排查

通過圖 2裝配示意圖可知，軸承外圈與轉向節(jié)過盈配合，通過壓裝實現(xiàn)，軸承內圈與輪轂過盈配合，通過壓裝實現(xiàn)，鎖緊螺母將驅動軸固定在輪轂單元上，驅動軸外端節(jié)端面與軸承內圈接觸，驅動軸外端節(jié)的軸柄花鍵與輪轂內花鍵相配合，整個裝配在理想狀態(tài)下，不應有相對運動。

圖2 裝配連接配合示意圖

通過初步的試驗分析，異響的直接表現(xiàn)存在于驅動軸外端節(jié)端面和軸承的接觸面上，該接觸面通過鎖緊螺母的作用緊密貼合，不存在敲擊現(xiàn)象。但由于驅動軸外花鍵以及輪轂內花鍵存在加工公差，實際樣件會存在一定的間隙，在發(fā)動機較大扭矩的驅動力下，由于間隙的存在，該接觸面上會出現(xiàn)相對微小的位移，從而由摩擦振動產生噪聲。

摩擦噪聲的形成機理比較復雜[1]，主要有粘滑理論、自鎖滑動理論和模態(tài)耦合理論等，參考噪聲的分析得知，在一定條件下，表面壓力越大，摩擦噪聲也隨之增大，但壓力超過一定數值后，噪聲反而降低，這種情況在此不作詳細論述，前期的初步試驗分析也驗證了噪聲隨壓力增大而增大的情況。

異響的直接原因是接觸面的相對滑動，但其根本原因需從多方面考慮。

1）驅動軸與輪轂之間花鍵的配合

根據驅動軸和輪轂花鍵參數，計算花鍵配合的間隙值，本例中配合花鍵的間隙范圍為0.071～0.189 mm，因驅動軸外端節(jié)端面與軸承端面接觸位置較花鍵配合半徑大，約為花鍵配合半徑的 2倍，故此時接觸面的相對滑動距離約為花鍵配合間隙值的2倍左右，約0.142～0.378 mm。汽車啟動的瞬間，由發(fā)動機傳遞過來的扭矩遠遠大于鎖緊螺母所能抵抗的扭矩，軸承端面和驅動軸外端節(jié)端面之間，在短暫的時間內，發(fā)生相對位移，從而產生異響。

2）驅動軸的扭轉剛度

圖3 驅動軸軸節(jié)

如圖 3所示，將驅動軸軸柄花鍵連接段近似看做一個圓柱，在受到扭矩時，由扭轉變形計算公式可知，扭轉角

其中，T為扭矩，l為2個扭轉端面的距離，G×Ip為軸的抗扭剛度，對于等粗的實心軸來說

扭矩一定的條件下，扭轉角跟長度成正比，跟直徑的 4次方成反比；因此花鍵受力等效位置距驅動軸外端節(jié)端面越遠，直徑越小，其剛度越差；剛度越差，在相同長度范圍內產生的扭轉角越大。此時，花鍵連接等效受力端面和驅動軸外端節(jié)端面之間會產生相對扭轉運動，最終體現(xiàn)在軸承端面和驅動軸外端節(jié)端面之間發(fā)生相對運動，導致異響的發(fā)生。

3）驅動軸端面和軸承端面接觸面積

該車型采用的驅動軸螺母型號為 M24×1.5，扭矩為230 N . m，其扭矩一部分為螺紋副之間的摩擦扭矩，一部分為螺母法蘭面和輪轂支撐面之間的摩擦扭矩。

根據已知參數，計算[2]可得，軸向拉力為 48 kN，驅動軸端面和軸承面接觸面積最大即為軸承內圈端面的面積，計算可得軸承內圈端面面積為9.417×10-4 m2，面壓強為50.97 MPa。

將扭矩設置到210 N . m，軸向拉力為44 kN，對應的面壓強為46.72 MPa。

將扭矩設置到180 N . m，軸向拉力為38 kN，對應的面壓強為40.35 MPa

面壓強越大摩擦力越大，但發(fā)動機啟動扭矩遠遠大于驅動軸螺母端面所提供的扭矩；因此，在發(fā)動機的驅動力作用下，間隙的存在會使驅動軸端面和軸承端面發(fā)生相對位移，產生異響，通過對螺母施加不同大小的扭矩進行測試，面壓強越大，異響越明顯。

4）驅動軸端面和軸承端面接觸面粗糙度

一般接觸面粗糙度較大時，表面微觀下的凹凸不平會使摩擦系數變大；表面粗糙度過小，則實際接觸面積變多，面之間的固著力變大，摩擦系數也會變大。但后者在普通的機加工上不太容易實現(xiàn)，因此在接觸端面上一般會通過加油脂等減摩材料來降低摩擦系數，從而減小摩擦力，降低摩擦引起的能量消耗。

3 解決措施

3.1 增加螺旋角，控制花鍵間隙

增加螺旋角，減小配合花鍵之間間隙的同時，需要考慮，螺旋角不能過大，否則會出現(xiàn)驅動軸穿過輪轂單元后，伸出輪轂較短，螺母較難擰入，輪轂單元裝配困難的情況。

圖4 驅動軸節(jié)長度尺寸

圖5 輪轂花鍵長度尺寸

該車型驅動軸相關尺寸如圖4所示，輪轂花鍵尺寸如圖5所示，可知：驅動半軸鎖緊螺母螺紋起始端到驅動軸端面之間的距離為92 mm；完全裝配后，鎖緊螺母端面和驅動軸端面之間的距離為65 mm；驅動軸花鍵長度為44 mm；經設計校核，驅動軸的花鍵比輪轂內花鍵短，其全部長度與輪轂花鍵嚙合。為保證裝配，將驅動軸穿過輪轂單元后，驅動軸鎖緊螺母花鍵至少留出10 mm用于裝配，然后擰上螺母，利用扭矩機將其鎖緊，同時考慮裝配情況，花鍵配合干涉不能過大，防止其他問題產生。

一般按花鍵極限位置配合干涉10～15 mm長度進行設計，此處取干涉15 mm進行設計，此時螺紋露出端面的距離為L1=92 mm-15 mm -65 mm =12 mm，大于要求的最小尺寸10 mm，自由配合長度L2=44 mm -15 mm =29 mm。

在花鍵最小的間隙下，需要保證順利安裝，即在花鍵連接長度為29 mm時，消除0.071 mm的間隙，此時計算花鍵的螺旋角為8.4′。

在整個花鍵連接長度的情況下，即L=44 mm時，8.4′的花鍵對應的間隙為0.108 mm。

參考花鍵加工的正態(tài)分布，對未有螺旋角的間隙取中間值，為0.13 mm，則增加螺旋角后的間隙為0.022 mm，基本消除了花鍵連接的間隙，只有在極限位置，未有螺旋角的花鍵連接最大間隙為 0.189 mm，增加螺旋角后的間隙為 0.081 mm，該間隙理論上存在，但實際極少發(fā)生，增加螺旋角后的間隙明顯減小，剩余的間隙以及由其產生的位移導致的異響可通過其他措施消除或降低。

3.2 增大抗扭剛度

增大抗扭剛度最有效的措施是增大軸徑，但該措施受輪轂內花鍵尺寸影響，該尺寸發(fā)生變化，其相關零件的尺寸都需要重新調整，調整尺寸涉及到的周期長，成本高，不易實現(xiàn)。

3.3 增大軸承端面和驅動軸端面的接觸面積，減小面壓力

從結構上看，接觸面積最小直徑為軸承的內圈外端面的內直徑，接觸面最大直徑為驅動軸端面最大直徑或軸承內圈外端面的外直徑中的較小值，由此可知，能做到的最大的接觸面積就是軸承內圈端面的最小直徑和最大直徑之間的面積，更改此處結構，則軸承需重新設計，其相關聯(lián)的輪轂、轉向節(jié)都需要重新設計，更改成本高，影響較大。

3.4 改善接觸面粗糙度，降低摩擦系數

軸承的端面粗糙度一般為1.6 μm，可以通過對端面進行拋光加工來改善摩擦系數，拋光后，粗糙度為0.63～0.8 μm，實車驗證，可減小車輛起步異響幾率。

以軸承端面為例，標準軸承的內圈端面微觀結構如圖 6所示，經過拋光處理后的樣品微觀結構如圖7所示。該工作工序時間以及成本都較大，不易用于批量生產。

圖6 軸承端面標準品粗糙度1.6 μm

圖7 軸承端面拋光品粗糙度0.8 μm

通常，可采用在接觸端面上涂抹減摩涂層的方式，降低接觸面的摩擦系數，本車型采用Molykote 7400型號減摩涂層，該涂層承載能力高，摩擦系數低，適用于高應力的金屬與金屬摩擦副的滑動摩擦。通過實際測試，單獨增加涂層，可減小異響產生幾率，配合增加螺旋角后增加涂層，可完全消除異響情況。

4 結束語

綜上所述，該車型通過調整花鍵螺旋角同時增加減摩涂層的方式，并經過大量試驗驗證，解決起步異響問題。針對車輛起步時驅動軸端面和軸承端面接觸面異響的問題進行分析，如果問題出現(xiàn)在車型開發(fā)之初，可以綜合考慮，包括適當增加軸柄直徑，增大軸承內圈端面和驅動軸端面的接觸面積等措施；如果問題出現(xiàn)在開發(fā)后期，軸柄、軸承、轉向節(jié)等周邊零部件設計都已定型，模具都已開發(fā)完成，這時一方面可以通過增加花鍵的螺旋角，盡可能減小花鍵配合間隙，降低異響發(fā)生的幾率；另一方面可以通過涂抹減摩涂層，減小摩擦系數，降低摩擦力，防止異響的產生。

[1]王曉翠. 溝槽型織構化表面對摩擦振動噪聲影響的試驗及有限元分析[D]. 西南交通大學，2015.

[2]朱卓選. 汽車半軸外萬向節(jié)與輪轂緊固扭矩設計研究[J]. 上海汽車，2011（3）：21-24.

U467.4+93

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.009

1002-4581（2017）01-0031-04

2016? 09? 12