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(duì)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(jīng)現(xiàn)場排查并對(duì)輪轂單元的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確認(rèn)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(jié)構(gòu)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(duì)以后新開發(fā)車型提供開發(fā)思路；從設(shè)計(jì)之初就考慮該風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，最大可能地消除異響噪聲，提高客戶滿意度。

驅(qū)動(dòng)軸；輪轂單元；摩擦噪聲；減摩涂層

汽車驅(qū)動(dòng)軸是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部件，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩傳遞到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛向前行駛。驅(qū)動(dòng)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(chǎn)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(duì)連接配合狀態(tài)進(jìn)行排查，確定問題產(chǎn)生的原因，針對(duì)原因進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)分析，并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，解決車輛啟動(dòng)異響問題，提高客戶的滿意度并為以后車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 故障描述及初步分析

1.1 故障描述

某車型在車輛啟動(dòng)后，掛擋前進(jìn)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(dòng)前進(jìn)，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(dòng)倒車，也沒有異響；再次掛擋前進(jìn)時(shí)，又出現(xiàn)異響。

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

1.2 初步分析

通過對(duì)輪轂單元連接結(jié)構(gòu)的分析以及實(shí)車測試得知，將鎖緊螺母鎖緊力矩逐漸降低，異響會(huì)有逐漸減弱的趨勢(shì)，將驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)向節(jié)過盈配合，通過壓裝實(shí)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈與輪轂過盈配合，通過壓裝實(shí)現(xiàn)，鎖緊螺母將驅(qū)動(dòng)軸固定在輪轂單元上，驅(qū)動(dòng)軸外端節(jié)端面與軸承內(nèi)圈接觸，驅(qū)動(dòng)軸外端節(jié)的軸柄花鍵與輪轂內(nèi)花鍵相配合，整個(gè)裝配在理想狀態(tài)下，不應(yīng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖2 裝配連接配合示意圖

通過初步的試驗(yàn)分析，異響的直接表現(xiàn)存在于驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)軸外花鍵以及輪轂內(nèi)花鍵存在加工公差，實(shí)際樣件會(huì)存在一定的間隙，在發(fā)動(dòng)機(jī)較大扭矩的驅(qū)動(dòng)力下，由于間隙的存在，該接觸面上會(huì)出現(xiàn)相對(duì)微小的位移，從而由摩擦振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。

摩擦噪聲的形成機(jī)理比較復(fù)雜[1]，主要有粘滑理論、自鎖滑動(dòng)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(shù)值后，噪聲反而降低，這種情況在此不作詳細(xì)論述，前期的初步試驗(yàn)分析也驗(yàn)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(duì)滑動(dòng)，但其根本原因需從多方面考慮。

1）驅(qū)動(dòng)軸與輪轂之間花鍵的配合

根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸和輪轂花鍵參數(shù)，計(jì)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(qū)動(dòng)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(shí)接觸面的相對(duì)滑動(dòng)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(dòng)的瞬間，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過來的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎖緊螺母所能抵抗的扭矩，軸承端面和驅(qū)動(dòng)軸外端節(jié)端面之間，在短暫的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生相對(duì)位移，從而產(chǎn)生異響。

2）驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度

圖3 驅(qū)動(dòng)軸軸節(jié)

如圖 3所示，將驅(qū)動(dòng)軸軸柄花鍵連接段近似看做一個(gè)圓柱，在受到扭矩時(shí)，由扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算公式可知，扭轉(zhuǎn)角

其中，T為扭矩，l為2個(gè)扭轉(zhuǎn)端面的距離，G×Ip為軸的抗扭剛度，對(duì)于等粗的實(shí)心軸來說

扭矩一定的條件下，扭轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)軸外端節(jié)端面越遠(yuǎn)，直徑越小，其剛度越差；剛度越差，在相同長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角越大。此時(shí)，花鍵連接等效受力端面和驅(qū)動(dòng)軸外端節(jié)端面之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終體現(xiàn)在軸承端面和驅(qū)動(dòng)軸外端節(jié)端面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致異響的發(fā)生。

3）驅(qū)動(dòng)軸端面和軸承端面接觸面積

該車型采用的驅(qū)動(dòng)軸螺母型號(hào)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(jù)已知參數(shù)，計(jì)算[2]可得，軸向拉力為 48 kN，驅(qū)動(dòng)軸端面和軸承面接觸面積最大即為軸承內(nèi)圈端面的面積，計(jì)算可得軸承內(nèi)圈端面面積為9.417×10-4 m2，面壓強(qiáng)為50.97 MPa。

將扭矩設(shè)置到210 N . m，軸向拉力為44 kN，對(duì)應(yīng)的面壓強(qiáng)為46.72 MPa。

將扭矩設(shè)置到180 N . m，軸向拉力為38 kN，對(duì)應(yīng)的面壓強(qiáng)為40.35 MPa

面壓強(qiáng)越大摩擦力越大，但發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)軸螺母端面所提供的扭矩；因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力作用下，間隙的存在會(huì)使驅(qū)動(dòng)軸端面和軸承端面發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生異響，通過對(duì)螺母施加不同大小的扭矩進(jìn)行測試，面壓強(qiáng)越大，異響越明顯。

4）驅(qū)動(dòng)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(shí)，表面微觀下的凹凸不平會(huì)使摩擦系數(shù)變大；表面粗糙度過小，則實(shí)際接觸面積變多，面之間的固著力變大，摩擦系數(shù)也會(huì)變大。但后者在普通的機(jī)加工上不太容易實(shí)現(xiàn)，因此在接觸端面上一般會(huì)通過加油脂等減摩材料來降低摩擦系數(shù)，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(shí)，需要考慮，螺旋角不能過大，否則會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)軸節(jié)長度尺寸

圖5 輪轂花鍵長度尺寸

該車型驅(qū)動(dòng)軸相關(guān)尺寸如圖4所示，輪轂花鍵尺寸如圖5所示，可知：驅(qū)動(dòng)半軸鎖緊螺母螺紋起始端到驅(qū)動(dòng)軸端面之間的距離為92 mm；完全裝配后，鎖緊螺母端面和驅(qū)動(dòng)軸端面之間的距離為65 mm；驅(qū)動(dòng)軸花鍵長度為44 mm；經(jīng)設(shè)計(jì)校核，驅(qū)動(dòng)軸的花鍵比輪轂內(nèi)花鍵短，其全部長度與輪轂花鍵嚙合。為保證裝配，將驅(qū)動(dòng)軸穿過輪轂單元后，驅(qū)動(dòng)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(jī)將其鎖緊，同時(shí)考慮裝配情況，花鍵配合干涉不能過大，防止其他問題產(chǎn)生。

一般按花鍵極限位置配合干涉10～15 mm長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處取干涉15 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)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(shí)，消除0.071 mm的間隙，此時(shí)計(jì)算花鍵的螺旋角為8.4′。

在整個(gè)花鍵連接長度的情況下，即L=44 mm時(shí)，8.4′的花鍵對(duì)應(yīng)的間隙為0.108 mm。

參考花鍵加工的正態(tài)分布，對(duì)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(shí)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(chǎn)生的位移導(dǎo)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(nèi)花鍵尺寸影響，該尺寸發(fā)生變化，其相關(guān)零件的尺寸都需要重新調(diào)整，調(diào)整尺寸涉及到的周期長，成本高，不易實(shí)現(xiàn)。

3.3 增大軸承端面和驅(qū)動(dòng)軸端面的接觸面積，減小面壓力

從結(jié)構(gòu)上看，接觸面積最小直徑為軸承的內(nèi)圈外端面的內(nèi)直徑，接觸面最大直徑為驅(qū)動(dòng)軸端面最大直徑或軸承內(nèi)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(nèi)圈端面的最小直徑和最大直徑之間的面積，更改此處結(jié)構(gòu)，則軸承需重新設(shè)計(jì)，其相關(guān)聯(lián)的輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)都需要重新設(shè)計(jì)，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(shù)

軸承的端面粗糙度一般為1.6 μm，可以通過對(duì)端面進(jìn)行拋光加工來改善摩擦系數(shù)，拋光后，粗糙度為0.63～0.8 μm，實(shí)車驗(yàn)證，可減小車輛起步異響幾率。

以軸承端面為例，標(biāo)準(zhǔn)軸承的內(nèi)圈端面微觀結(jié)構(gòu)如圖 6所示，經(jīng)過拋光處理后的樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。該工作工序時(shí)間以及成本都較大，不易用于批量生產(chǎn)。

圖6 軸承端面標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，本車型采用Molykote 7400型號(hào)減摩涂層，該涂層承載能力高，摩擦系數(shù)低，適用于高應(yīng)力的金屬與金屬摩擦副的滑動(dòng)摩擦。通過實(shí)際測試，單獨(dú)增加涂層，可減小異響產(chǎn)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(jié)束語

綜上所述，該車型通過調(diào)整花鍵螺旋角同時(shí)增加減摩涂層的方式，并經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，解決起步異響問題。針對(duì)車輛起步時(shí)驅(qū)動(dòng)軸端面和軸承端面接觸面異響的問題進(jìn)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(dāng)增加軸柄直徑，增大軸承內(nèi)圈端面和驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)向節(jié)等周邊零部件設(shè)計(jì)都已定型，模具都已開發(fā)完成，這時(shí)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(shù)，降低摩擦力，防止異響的產(chǎn)生。

[1]王曉翠. 溝槽型織構(gòu)化表面對(duì)摩擦振動(dòng)噪聲影響的試驗(yàn)及有限元分析[D]. 西南交通大學(xué)，2015.

[2]朱卓選. 汽車半軸外萬向節(jié)與輪轂緊固扭矩設(shè)計(jì)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