汽車傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向異響的試驗(yàn)分析

張新宇 劉彥君 劉海龍 吳雪輝 孫煥強(qiáng) 趙鵬宇

（北京現(xiàn)代汽車有限公司技術(shù)中心）

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)汽車駕乘舒適性的要求也在不斷提高。在影響汽車駕乘舒適性的眾多因素中，異響是其中的重要因素。異響是指非正常、不必要的聲音，這些聲音令乘客感到厭煩、不安或不愉悅。因此，對(duì)汽車異響的控制變得尤為重要[1]96。汽車傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車中重要的系統(tǒng)之一，系統(tǒng)中某一零部件的異常通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)異常，產(chǎn)生異響，并且由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難確定異響的位置及原因。文章結(jié)合某試制車傳動(dòng)系統(tǒng)中半軸異響的實(shí)際問題進(jìn)行試驗(yàn)分析，推斷并驗(yàn)證異響產(chǎn)生的位置及原因，并針對(duì)產(chǎn)生原因進(jìn)行解決，從而總結(jié)出汽車零部件異響的探測(cè)方法。

1 異響成因分析

1.1 異響情況初步確認(rèn)

異響情況確認(rèn)需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問題點(diǎn)的相關(guān)信息進(jìn)行全面的了解，包括異響發(fā)生時(shí)的工況及發(fā)生何種異響[1]96。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題車在低速行駛轉(zhuǎn)彎打滿方向盤時(shí)有“嘚嘚嘚”的異響發(fā)生。當(dāng)車速為20 km/h時(shí)，汽車異響尤為明顯。并且該異響只發(fā)生在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，當(dāng)汽車直線行駛或者原地轉(zhuǎn)向時(shí)均無異響發(fā)生。

為了查找造成異響的部位，文章首先通過采用更換零部件的方法來確定引起異響的部件，具體分析步驟，如圖1所示。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向行駛異響初步分析步驟

另外，因?yàn)樵撥囉覀?cè)半軸通過外球籠與車輪轂相接，通過內(nèi)球籠與變速箱相接，因此為了準(zhǔn)確找出異響位置，需要進(jìn)行整車NVH（噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度）試驗(yàn)分析。

1.2 整車NVH試驗(yàn)分析

整車NVH試驗(yàn)對(duì)存在不明的、異常的噪聲振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，給出一定的主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果。該試驗(yàn)故障診斷的主要途徑從查找噪聲振動(dòng)源和分析噪聲振動(dòng)傳遞路徑入手，并找出問題的原因，提出解決方案[2]。

1.2.1 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)主要是確定異響的頻率范圍，并通過對(duì)比問題半軸汽車和正常半軸汽車在異響頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)差異，初步判斷異響的位置。

根據(jù)對(duì)異響情況的分析，設(shè)置試驗(yàn)工況為汽車擋位2擋，以20 km/h勻速行駛，進(jìn)行左右轉(zhuǎn)彎行駛。

測(cè)點(diǎn)選取遵循近場(chǎng)測(cè)量的原則，再結(jié)合信號(hào)處理的方法對(duì)異響進(jìn)行測(cè)量分析。由于初步認(rèn)定異響與右側(cè)半軸有關(guān)，因此在車底右側(cè)半軸變速箱側(cè)和車輪側(cè)布置傳聲器和三向振動(dòng)傳感器，同時(shí)在車內(nèi)布置傳聲器，具體布置位置，如圖2～圖4所示。

圖2 汽車NVH試驗(yàn)車內(nèi)傳聲器位置示意圖

圖3 汽車NVH試驗(yàn)半軸變速箱側(cè)傳聲器和振動(dòng)傳感器位置示意圖

圖4 汽車NVH試驗(yàn)半軸車輪側(cè)傳聲器和振動(dòng)傳感器位置示意圖

以汽車的質(zhì)心為原點(diǎn)，建立汽車坐標(biāo)系。X軸與地面平行，指向汽車前方為正；Z軸與地面垂直，指向汽車上方為正；Y軸由副駕駛指向駕駛員方向?yàn)檎?。X，Y，Z就是三向振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)頻率的3個(gè)方向，如圖5所示。

圖5 建立的試驗(yàn)車坐標(biāo)系示意圖

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)問題半軸汽車在左右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，均有異響發(fā)生。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)后，得到如圖6所示的噪聲頻譜圖。從圖6可以看出，紅色曲線高于綠色曲線，即問題汽車車內(nèi)噪聲大于正常汽車的車內(nèi)噪聲，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為540～620Hz。為驗(yàn)證異響頻率段是否正確，在頻譜加入帶阻濾波器，概率范圍為500～700 Hz。該帶阻濾波器工作后，回放噪聲信號(hào)，異響消失。因此，確定異響的頻率范圍是540～620 Hz。

圖6 汽車NVH試驗(yàn)車內(nèi)噪聲頻譜圖

振動(dòng)頻譜是振動(dòng)幅值隨振動(dòng)頻率而變化繪制出來的振動(dòng)曲線圖。在本試驗(yàn)分析中，選取振動(dòng)加速度（單位為m/s2）作為振動(dòng)幅值，然后將振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)加速度級(jí)（單位為dB（m/s2）），得到如圖7和圖8所示的振動(dòng)頻譜圖。

圖7 汽車NVH試驗(yàn)半軸車輪側(cè)振動(dòng)頻譜圖

圖8 汽車NVH試驗(yàn)半軸變速箱側(cè)振動(dòng)頻譜圖

從圖7可以看出，在異響頻段（540～620 Hz）內(nèi)，紅色曲線的振動(dòng)幅值均大于綠色曲線的振動(dòng)幅值，2條曲線有單峰值出現(xiàn)，并且2條曲線的峰值之間相差較多。說明問題半軸車輪側(cè)的X，Y，Z向的振動(dòng)在異響頻段內(nèi)的峰值變化明顯。

從圖8 a和圖8 b可以看出，紅色曲線與綠色曲線在異響頻段內(nèi)無明顯差異，說明問題半軸與正常半軸變速箱側(cè)的X，Y方向的振動(dòng)在異響頻段內(nèi)沒有明顯差異。從圖8 c可以看出，紅色曲線的振動(dòng)幅值明顯大于綠色曲線的振動(dòng)幅值，但2條曲線較為平順。說明問題半軸與正常半軸變速箱側(cè)的Z軸方向的振動(dòng)在異響頻段內(nèi)有明顯區(qū)別，但2條曲線較為平順，峰值變化不明顯。因此排除變速箱側(cè)是異響位置的可能性，推斷異響的位置是半軸車輪側(cè)。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過上述試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)向行駛異響在汽車左右轉(zhuǎn)時(shí)均有發(fā)生，異響的頻段為540～620 Hz，并且異響位置是在半軸車輪側(cè)。結(jié)合異響出現(xiàn)的工況，即20 km/h車速轉(zhuǎn)向行駛，推斷發(fā)生異響的原因可能是半軸的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)異常，使其在該工況下地面?zhèn)鬟f的振動(dòng)導(dǎo)致半軸發(fā)生共振。為了驗(yàn)證該推論，需進(jìn)行半軸模態(tài)試驗(yàn)，對(duì)其模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析。

1.3 半軸模態(tài)試驗(yàn)分析

模態(tài)分析方法是了解某一部件在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性試驗(yàn)，將采集的測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)的識(shí)別方法，識(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析提供依據(jù)[3]。同時(shí)，模態(tài)分析能夠?yàn)檎駝?dòng)系統(tǒng)的故障診斷提供數(shù)值依據(jù)。

分別對(duì)問題半軸和正常半軸進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，如果試驗(yàn)結(jié)果有顯著差異，則說明問題半軸的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)相較于正常半軸存在異常。以此檢驗(yàn)異響發(fā)生原因是否與半軸的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。

圖9示出將2個(gè)半軸按照試驗(yàn)要求吊起的裝置示意圖。根據(jù)半軸結(jié)構(gòu)情況建立空間直角坐標(biāo)系，并在其上選擇10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，建立幾何模型。采用移動(dòng)力錘法對(duì)試驗(yàn)半軸施加全頻段激勵(lì)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的X，Y，Z向的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖9 半軸模態(tài)試驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用LMS軟件，根據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)點(diǎn)S，分別選取半軸的1階、2階及3階模態(tài)，其振型示意圖，如圖10所示，最終測(cè)得半軸模態(tài)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖10 半軸彎曲模態(tài)試驗(yàn)振型示意圖

表1 半軸彎曲模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 Hz

從表1可以看出：?jiǎn)栴}半軸與正常半軸的1階彎曲模態(tài)相差2 Hz，2階彎曲模態(tài)相差1 Hz，3階彎曲模態(tài)相差4 Hz，且各階模態(tài)振型均相似。排除試驗(yàn)誤差，問題半軸與正常半軸模態(tài)結(jié)果無顯著差異，且由于半軸內(nèi)外球籠組件自由度的影響，該結(jié)果的差異在試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)。另外，由整車NVH試驗(yàn)分析可知，異響的頻段為540～620 Hz，以上3種階次的模態(tài)參數(shù)均不在該范圍內(nèi)。由此可知，異響發(fā)生時(shí)問題半軸并沒有出現(xiàn)共振。因此，問題半軸與正常半軸的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)無顯著差異，能夠排除其是導(dǎo)致異響的可能性。

同時(shí)，根據(jù)整車NVH試驗(yàn)的結(jié)果，異響位置在半軸車輪側(cè)，因此對(duì)半軸進(jìn)行拆解分析，檢查其內(nèi)部是否存在異常。

1.4 半軸拆解分析

選取3個(gè)問題車半軸和1個(gè)正常車半軸進(jìn)行拆解，這4個(gè)半軸的外球籠編號(hào)：正常件為4Y4MA5；異響件分別為4Z2JB5，4Y4NB6，4Z1JB4。拆解后對(duì)半軸各部件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和表面分析，內(nèi)外球籠的組成部件，如圖11所示。

圖11 半軸內(nèi)外球籠拆解示意圖

參數(shù)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，問題件與正常件的關(guān)鍵尺寸均在公差范圍內(nèi)。對(duì)各部件進(jìn)行表面分析后發(fā)現(xiàn)：正常半軸的半軸直桿、減振塊及內(nèi)外球籠均無明顯異常；而問題半軸的外球籠有明顯的磨損，其余部件均無異常。

對(duì)正常外球籠和存在異響的外球籠的鋼珠和滑軌的磨損情況進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況，如圖12和圖13所示。從圖12和圖13可以看出，正常件的鋼珠完好，沒有磨損；滑軌沒有明顯痕跡。編號(hào)為4Z2JB5的異響件的一顆鋼珠有點(diǎn)蝕；滑軌有明顯摩擦痕跡。編號(hào)為4Y4NB6的異響件的一顆鋼珠有點(diǎn)蝕；滑軌有明顯痕跡。編號(hào)為4Z1JB4的異響件的3顆鋼珠有點(diǎn)蝕；滑軌有明顯痕跡。并且每個(gè)點(diǎn)蝕鋼珠的磨損點(diǎn)有2處，呈對(duì)稱分布（與滑軌兩側(cè)的接觸點(diǎn)），這種現(xiàn)象稱為對(duì)稱點(diǎn)蝕。

圖12 汽車半軸外球籠鋼珠和滑軌磨損對(duì)比圖

圖13 編號(hào)4Z1JB4（異響件）外球籠鋼珠和滑軌磨損對(duì)比圖

對(duì)半軸進(jìn)行拆解分析后發(fā)現(xiàn)，3組異響件均發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)蝕的鋼珠，而且這些鋼珠都是對(duì)稱點(diǎn)蝕。異響件外球籠外殼內(nèi)側(cè)滑軌出現(xiàn)明顯磨損，編號(hào)為4Z1JB4的異響件的滑軌磨損最為明顯。這充分說明半軸車輪側(cè)外球籠內(nèi)部狀態(tài)存在異常。

1.5 轉(zhuǎn)向行駛異響原因確定

經(jīng)過半軸拆解試驗(yàn)，確定了問題汽車半軸車輪側(cè)外球籠內(nèi)部狀態(tài)存在異常。結(jié)合對(duì)異響情況初步確認(rèn)的結(jié)果，當(dāng)正常汽車半軸換至問題汽車，即外球籠正常時(shí)，問題汽車的異響消失。因此，可以確定異響位置在半軸車輪側(cè)外球籠，且其內(nèi)部狀況異常導(dǎo)致異響發(fā)生。

在此基礎(chǔ)上廠家進(jìn)行查證，確認(rèn)異響位置為半軸外球籠處，與試驗(yàn)分析后得到的結(jié)論一致。同時(shí)對(duì)問題半軸外球籠進(jìn)行調(diào)查，確定異響的根源為外球籠內(nèi)輪滑軌外徑超差2.3%，遠(yuǎn)大于可接受的誤差（0.2%），使其在轉(zhuǎn)角極限情況下產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致異響。

2 結(jié)論

由于汽車本身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生異響后很難快速定位異常的部位，對(duì)于此類問題，文章以某試制車傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向異響問題為例，通過一系列試驗(yàn)分析，逐步縮小異響零部件范圍，排除可能導(dǎo)致異響的因素，最終確定了異響的位置及原因。

對(duì)所用試驗(yàn)方法進(jìn)行總結(jié)可以得出：1）通過排除法，更換異響部位零件，可以快速確定異響發(fā)生的大致位置，從而提升試驗(yàn)分析的效率。2）整車NVH試驗(yàn)可以有效地獲取異響噪聲及振動(dòng)的頻域特性，并進(jìn)一步對(duì)異響的位置及成因進(jìn)行判斷。同時(shí)，其數(shù)據(jù)還可以提供給其他試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。3）針對(duì)不同原因引起的零部件異響，模態(tài)試驗(yàn)可以有效識(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比及振型等，進(jìn)而對(duì)零部件材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行分析；而零部件的拆解分析可以更直觀地了解其內(nèi)部狀態(tài)是否異常，確定異響成因。

以上結(jié)論對(duì)汽車零部件異響問題的解決有著重要意義。綜合運(yùn)用以上結(jié)論，并輔以相關(guān)試驗(yàn)分析，不僅可以幫助零部件廠商進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的把控，而且可以避免問題汽車流入市場(chǎng)，造成不良影響。同時(shí)，文章也增加了對(duì)此類問題解決的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)未來工作起到了很好的借鑒作用。