一種傳動軸噪聲問題的分析及改善

張峰，李小北

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

隨著汽車市場的發展，顧客對汽車舒適性的關注度正逐步提升，汽車的 NVH性能作為決定汽車品質的重要指標，也越來越受到重視。NVH性能在汽車的研究與設計過程中既需要一定理論基礎又需要大量實踐經驗才能不斷被提升優化。對于前置后驅車而言，傳動軸的性能對傳動系統 NVH有著顯著的貢獻。

1 傳動軸噪音概述

1.1 傳動軸功能及結構

汽車傳動軸將來自發動機、變速箱的輸出扭矩和旋轉運動傳遞到驅動橋，驅動車輪轉動。并能適應因路面不平和車輪上下跳動引起的傳遞距離和角度的變化。中間傳動軸的前端與變速箱的輸出法蘭盤相連接，中間支承懸掛在車架的橫梁下（用“U”形托架固定），中間支承軸承可以軸向微量滑動，以此來補償軸向位置安裝誤差和允許汽車在運行時軸承前后微量竄動，減少軸承的軸向受力。

1.2 傳動系統噪音和振動源分類

傳動軸聯軸器和軸承一邊連接動力傳動系統，另一邊連接車身，這樣動力傳動軸系的振動會通過這些軸承和聯軸器傳遞到車廂內。車內感覺到的噪聲主要有[1]：

1）齒輪嚙合誤差而引起的噪聲與振動。變速器內部，分動器內部和差速器內部由于嚙合誤差引起的振動傳遞到傳動軸，半軸和殼體，從而產生傳動軸的扭轉振動。通常表現為單頻噪音（whining）以及一些敲擊噪聲（rattling）。

圖1 傳動軸安裝示意圖

2）傳動軸的動不平衡以及各種徑向跳動引起的振動，進而產生1階振動與噪聲。

3）對于后輪驅動和全輪驅動系統，通常會采用多根傳動軸結構，軸與軸之間使用萬向節連接，采用不等速萬向節后，被動軸的速度在一個旋轉周期內發生兩次變化，從而引起二階振動。在車內會感覺到車地板的振動，方向盤的振動或是座椅的振動。

2 傳動軸噪音問題分析

某車型開發測試過程中，車輛于-5℃至-15℃測試環境下，行駛至50km/h-80km/h區間時出現嘯叫音，熱車后該嘯叫音減弱或消失。在測試過程中還發現車輛振動和噪聲來自于底盤有節奏的振動，而且在地板處振動較為明顯。結合駕駛室內的客觀噪音測試結果，發現該噪音頻率處于780Hz至900Hz之間（圖2），根據出現異響的車速，換算到傳動軸轉速在1500rpm至2100rpm之間，且在該區間內傳動軸與車身地板連接位置伴隨明顯振動，初步分析噪音來自于傳動軸。

圖2 車內噪音頻率分析

將傳動軸置于-24℃低溫倉中冷卻放置14小時以上，然后安裝至臺架，圖3所示。啟動設備按照圖4所示條件進行測試，測試期間傳動軸運轉過程中軸承的振動值通過加速度傳感器被記錄下來，期間產生的噪音也會分別被架設在不同位置的傳感器分別記錄以用于主客觀測量。

圖3 臺架測試

圖4 嘯叫音測試工況

圖5 傳感器安裝位置

根據臺架測試得出的數據，圖6和圖7所示，噪音來自于軸承內部，在1700rpm和2200rpm附近非常明顯，該噪音與轉速相關，振動能量隨頻率升高而減弱。另外該噪音還和軸承的溫度成顯著相關性，軸承內只有潤滑脂的性能與溫度具有顯著相關性。

圖6 低溫狀態軸承的聲壓級

圖7 零件測試頻譜圖

引起軸承振動的原因有多種，大部分都歸咎于軸承的非理想狀態運轉，如套圈的波紋度、粗糙度、損傷、安裝誤差、內部潤滑以及由于疲勞產生的碎裂剝落和灰塵雜質等。該傳動軸中間軸承采用深溝球軸承，可以將軸承內外圈、鋼球以及潤滑脂是為一套振動系統，自激勵振動由鋼球的振動導致。

3 傳動軸噪音問題改善

對于雙密封軸承，其主要依靠內部加注的潤滑脂潤滑。潤滑脂可以在軸承滾道的表面形成具有一定厚度的連續穩定的潤滑油膜，使該彈性系統振幅降低，從而降低振動速度和振動加速度的絕對值[2]。研究表明[3]表觀粘度高的潤滑脂相對表觀粘度小的潤滑脂要經過較長時間才能補充到軌道中去，潤滑劑進入接觸區的困難會造成乏油潤滑加劇，從而引起平均油膜厚度形成的不穩定，使振動波產生無序的波動，從而使軸承在噪聲測試時產生有規律的嘯叫音。而且潤滑脂在一定剪切速度下的表觀粘度相對較低時軸承振動有變好的傾向。

調取當前軸承所使用的潤滑脂參數，表1所示，發現其所使用的稠化劑種類為脲基稠化劑。脲基潤滑脂具有良好的膠體安定性，這使得它在軸承中有較長的高溫工作壽命。在高速下，脲基脂比較容易形成“溝槽”，從而使摩擦力矩和噪聲水平保持在較低的水平[4]。此潤滑脂更兼顧高溫工況下的穩定性，考慮到在低溫下該噪音較為明顯，需要調整低溫下的運動粘度以改善噪音，同時兼顧其他性能。

從數據庫里選取低溫條件下黏度更低的潤滑脂，以保證低溫下油膜的形成促使軸承得到充分潤滑，新舊潤滑脂信息如下：

表1 新舊潤滑性能對比

通過低溫啟動力矩及運動粘度以反應潤滑脂低溫狀態下的工作能力，力矩越小，潤滑脂的低溫性能越佳，更改后的油脂在低溫啟動和運行轉矩上具有明顯優勢。

將采用新潤滑脂的傳動軸裝在臺架上，按照相同的測試方法再次進行測試，軸承振動及噪聲，如圖8所示。更換低溫潤滑脂后，之前出現倍頻的頻率范圍內沒有再出現故障頻率特征。再次進行車內主觀評價，也未檢測到該噪音。

圖8 更改潤滑脂前后頻譜對比

4 結論

通過在特定的工況下對問題車輛的車內噪聲和振動進行主客觀測試，以及零件的臺架測試，以頻譜分析和振動傳遞路徑的分析手段，找出了問題車輛能夠感受到嘯叫聲的根本原因所在，為以后開發零部件提供技術借鑒。通過對該異響的分析可以得出以下結論：

將傳動軸中間軸承潤滑脂變更為兼顧低溫性能的油脂后，能夠有效解決整車在低溫下啟動后產生的車內振動和嘯叫噪音。通過更改潤滑脂提升了低溫情況下軸承溝道油膜的穩定性，保證滾動體有序的轉動，避免產生異常波動。