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，對汽車異響的控制變得尤為重要[1]96。汽車傳動系統(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)場對問題點(diǎn)的相關(guān)信息進(jìn)行全面的了解，包括異響發(fā)生時的工況及發(fā)生何種異響[1]96。通過現(xiàn)場實(shí)車測試，發(fā)現(xiàn)問題車在低速行駛轉(zhuǎn)彎打滿方向盤時有“嘚嘚嘚”的異響發(fā)生。當(dāng)車速為20 km/h時，汽車異響尤為明顯。并且該異響只發(fā)生在轉(zhuǎn)向行駛時，當(dāng)汽車直線行駛或者原地轉(zhuǎn)向時均無異響發(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、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)對存在不明的、異常的噪聲振動進(jìn)行測試，給出一定的主客觀評價結(jié)果。該試驗(yàn)故障診斷的主要途徑從查找噪聲振動源和分析噪聲振動傳遞路徑入手，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)的振動差異，初步判斷異響的位置。

根據(jù)對異響情況的分析，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。

測點(diǎn)選取遵循近場測量的原則，再結(jié)合信號處理的方法對異響進(jìn)行測量分析。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傳感器，同時在車內(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就是三向振動傳感器采集振動頻率的3個方向，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，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，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

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

圖7 汽車NVH試驗(yàn)半軸車輪側(cè)振動頻譜圖

圖8 汽車NVH試驗(yàn)半軸變速箱側(cè)振動頻譜圖

從圖7可以看出，在異響頻段（540～620 Hz）內(nèi)，紅色曲線的振動幅值均大于綠色曲線的振動幅值，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，紅色曲線的振動幅值明顯大于綠色曲線的振動幅值，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)，將采集的測試數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)的識別方法，識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而為系統(tǒng)的動力學(xué)特性分析提供依據(jù)[3]。同時，模態(tài)分析能夠?yàn)檎駝酉到y(tǒng)的故障診斷提供數(shù)值依據(jù)。

分別對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個測量點(diǎn)，建立幾何模型。采用移動力錘法對試驗(yàn)半軸施加全頻段激勵，測量每個點(diǎn)的X，Y，Z向的振動數(shù)據(jù)。

圖9 半軸模態(tài)試驗(yàn)裝置示意圖

對試驗(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：問題半軸與正常半軸的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，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個問題車半軸和1個正常車半軸進(jìn)行拆解，這4個半軸的外球籠編號：正常件為4Y4MA5；異響件分別為4Z2JB5，4Y4NB6，4Z1JB4。拆解后對半軸各部件進(jìn)行參數(shù)測量和表面分析，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。編號為4Y4NB6的異響件的一顆鋼珠有點(diǎn)蝕；滑軌有明顯痕跡。編號為4Z1JB4的異響件的3顆鋼珠有點(diǎn)蝕；滑軌有明顯痕跡。并且每個點(diǎn)蝕鋼珠的磨損點(diǎn)有2處，呈對稱分布（與滑軌兩側(cè)的接觸點(diǎn)），這種現(xiàn)象稱為對稱點(diǎn)蝕。

圖12 汽車半軸外球籠鋼珠和滑軌磨損對比圖

圖13 編號4Z1JB4（異響件）外球籠鋼珠和滑軌磨損對比圖

對半軸進(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，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。同時對問題半軸外球籠進(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，對于此類問題，文章以某試制車傳動系統(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的頻域特性，并進(jìn)一步對異響的位置及成因進(jìn)行判斷。同時，其數(shù)據(jù)還可以提供給其他試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。3）針對不同原因引起的零部件異響，模態(tài)試驗(yàn)可以有效識別系統(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，造成不良影響。同時，文章也增加了對此類問題解決的經(jīng)驗(yàn)，對未來工作起到了很好的借鑒作用。