一种传动轴噪声问题的分析及改善

2021-06-04张峰李小北

汽车实用技术 2021年10期

张峰，李小北

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

引言

随着汽车市场的发展，顾客对汽车舒适性的关注度正逐步提升，汽车的 NVH性能作为决定汽车品质的重要指标，也越来越受到重视。NVH性能在汽车的研究与设计过程中既需要一定理论基础又需要大量实践经验才能不断被提升优化。对于前置后驱车而言，传动轴的性能对传动系统 NVH有着显著的贡献。

1 传动轴噪音概述

1.1 传动轴功能及结构

汽车传动轴将来自发动机、变速箱的输出扭矩和旋转运动传递到驱动桥，驱动车轮转动。并能适应因路面不平和车轮上下跳动引起的传递距离和角度的变化。中间传动轴的前端与变速箱的输出法兰盘相连接，中间支承悬挂在车架的横梁下（用“U”形托架固定），中间支承轴承可以轴向微量滑动，以此来补偿轴向位置安装误差和允许汽车在运行时轴承前后微量窜动，减少轴承的轴向受力。

1.2 传动系统噪音和振动源分类

传动轴联轴器和轴承一边连接动力传动系统，另一边连接车身，这样动力传动轴系的振动会通过这些轴承和联轴器传递到车厢内。车内感觉到的噪声主要有[1]：

1）齿轮啮合误差而引起的噪声与振动。变速器内部，分动器内部和差速器内部由于啮合误差引起的振动传递到传动轴，半轴和壳体，从而产生传动轴的扭转振动。通常表现为单频噪音（whining）以及一些敲击噪声（rattling）。

图1 传动轴安装示意图

2）传动轴的动不平衡以及各种径向跳动引起的振动，进而产生1阶振动与噪声。

3）对于后轮驱动和全轮驱动系统，通常会采用多根传动轴结构，轴与轴之间使用万向节连接，采用不等速万向节后，被动轴的速度在一个旋转周期内发生两次变化，从而引起二阶振动。在车内会感觉到车地板的振动，方向盘的振动或是座椅的振动。

2 传动轴噪音问题分析

某车型开发测试过程中，车辆于-5℃至-15℃测试环境下，行驶至50km/h-80km/h区间时出现啸叫音，热车后该啸叫音减弱或消失。在测试过程中还发现车辆振动和噪声来自于底盘有节奏的振动，而且在地板处振动较为明显。结合驾驶室内的客观噪音测试结果，发现该噪音频率处于780Hz至900Hz之间（图2），根据出现异响的车速，换算到传动轴转速在1500rpm至2100rpm之间，且在该区间内传动轴与车身地板连接位置伴随明显振动，初步分析噪音来自于传动轴。

图2 车内噪音频率分析

将传动轴置于-24℃低温仓中冷却放置14小时以上，然后安装至台架，图3所示。启动设备按照图4所示条件进行测试，测试期间传动轴运转过程中轴承的振动值通过加速度传感器被记录下来，期间产生的噪音也会分别被架设在不同位置的传感器分别记录以用于主客观测量。

图3 台架测试

图4 啸叫音测试工况

图5 传感器安装位置

根据台架测试得出的数据，图6和图7所示，噪音来自于轴承内部，在1700rpm和2200rpm附近非常明显，该噪音与转速相关，振动能量随频率升高而减弱。另外该噪音还和轴承的温度成显著相关性，轴承内只有润滑脂的性能与温度具有显著相关性。

图6 低温状态轴承的声压级

图7 零件测试频谱图

引起轴承振动的原因有多种，大部分都归咎于轴承的非理想状态运转，如套圈的波纹度、粗糙度、损伤、安装误差、内部润滑以及由于疲劳产生的碎裂剥落和灰尘杂质等。该传动轴中间轴承采用深沟球轴承，可以将轴承内外圈、钢球以及润滑脂是为一套振动系统，自激励振动由钢球的振动导致。

3 传动轴噪音问题改善

对于双密封轴承，其主要依靠内部加注的润滑脂润滑。润滑脂可以在轴承滚道的表面形成具有一定厚度的连续稳定的润滑油膜，使该弹性系统振幅降低，从而降低振动速度和振动加速度的绝对值[2]。研究表明[3]表观粘度高的润滑脂相对表观粘度小的润滑脂要经过较长时间才能补充到轨道中去，润滑剂进入接触区的困难会造成乏油润滑加剧，从而引起平均油膜厚度形成的不稳定，使振动波产生无序的波动，从而使轴承在噪声测试时产生有规律的啸叫音。而且润滑脂在一定剪切速度下的表观粘度相对较低时轴承振动有变好的倾向。

调取当前轴承所使用的润滑脂参数，表1所示，发现其所使用的稠化剂种类为脲基稠化剂。脲基润滑脂具有良好的胶体安定性，这使得它在轴承中有较长的高温工作寿命。在高速下，脲基脂比较容易形成“沟槽”，从而使摩擦力矩和噪声水平保持在较低的水平[4]。此润滑脂更兼顾高温工况下的稳定性，考虑到在低温下该噪音较为明显，需要调整低温下的运动粘度以改善噪音，同时兼顾其他性能。

从数据库里选取低温条件下黏度更低的润滑脂，以保证低温下油膜的形成促使轴承得到充分润滑，新旧润滑脂信息如下：