某前驱车轮端起步粘滑异响分析与控制

岳川元，杨诚，张军，杨朝，沈蜜

某前驱车轮端起步粘滑异响分析与控制

岳川元1，杨诚1，张军3，杨朝2，沈蜜4

(1. 重庆大学汽车工程学院，重庆 400044；2. 重庆大学汽车协同创新中心，重庆 400044；3. 吉利汽车研究院，浙江杭州 310000；4. 重庆长安汽车股份有限公司欧尚汽车研究院，重庆 400023)

某前驱车型在起步过程中驱动轮端出现“咔哒”异响，问题发生频次较高，严重影响整车品质。对异响现象进行分析最终确定是轮毂轴承与驱动半轴接触端面粘滑振动引起，在粘滑过程中接触端面由静摩擦向滑动摩擦转变时接触面间摩擦系数突变产生轴向冲击力诱发异响。通过建立合理的物理模型，分析粘滑运动过程中相关的正压力、滑动摩擦系数、静摩擦系数等参数的影响，利用一种特制减摩垫圈，进而改变传动零部件接触端面的动态摩擦特性，有效解决了该车型驱动轮端起步异响的问题。目前，国内外针对车辆传动系统中粘滑摩擦的研究较少。该研究对新车型传动设计过程中类似的粘滑异响处理有积极的借鉴和参考意义。

驱动半轴；轮毂轴承；摩擦学；粘滑摩擦

0 前言

随着汽车技术的发展，人们对汽车的振动噪声问题更加关注。汽车动力传动系统作为汽车的重要组成部分，由于其结构复杂性导致的振动噪声问题往往是汽车噪声和异响的主要来源之一[1]，这些噪声及异响问题不仅会影响驾驶员以及乘客的乘坐舒适性，甚至会涉及到车辆的安全性能。而在离合器以及其他动力传递的机械系统中，接触式旋转体是使用较广泛的一种结构设计。在实际工作状态下，经常由于旋转摩擦而产生粘滑振动及噪声。在特定的条件下，两个接触表面间周期性出现粘滞-滑动现象，且二者产生的摩擦力不是一个定值，通常将这种振荡摩擦现象称为粘滑现象。存在于机械传动结构中的粘滑振动现象，会对存在摩擦的工作系统产生很严重的影响，甚至导致破坏，如伸缩花键、雨刮器、高精度机床等都易产生粘滑问题[2-4]。SPENCER等[2]就利用在花键中添加油脂的工程措施解决了传动系统中的粘滑振动异响问题。对于粘滑摩擦现象通常可采用单自由度质量块-弹簧模型、悬臂梁-摩擦盘模型等进行说明[5-9]。

通过对该车型异响发生部位进行排查分析发现，该异响是由轮毂轴承与驱动半轴接触结合面间发生旋转摩擦诱发产生的粘滑振动异响。本文通过建立合理的物理模型，分析粘滑运动过程中相关的正压力、滑动摩擦系数、静摩擦系数等参数的影响，利用一种特制减摩垫圈，进而改变传动零部件接触端面的动态摩擦特性，有效解决了该车型驱动轮端起步异响问题。同时也提出了多种工程化解决措施，通过对该车型起步异响机理的研究，以及相应的解决措施，对以后新车型传动设计过程中类似的粘滑异响处理有借鉴和参考意义。

1 现象阐述

通过特定实验方法对某车型的噪声、振动与不舒适性(Noise、Vibration and Harshness, NVH)性能进行综合评价，在车辆起步的时候，实验过程中明显能感受到一声或两声短暂、尖锐的“咔哒”异响声，主观感受该异响声音来自于驱动轮附近区域，从动轮位置不会发生异响声。分批次抽取多台车辆进行的起步异响评价表明，异响发生频率较高。为了确定异响的产生部位，本文根据图1所示方案，采用以现场实时试验为主，采集实验数据进行离线回放为辅的主观评价方法查找异响来源。根据判断结果，初步判定该异响声音来自驱动轮转向节附近。

图1 异响主观评价方法

采用B&K公司的振动噪声测试设备进行数据采集，在转向节部位布置振动加速度计和近场传声器，如图2所示。并通过控制局域网络(Control Area Network, CAN)总线采集发动机转速、发动机指示真实扭矩、挡位等信息进行分析。

对异响车辆进行多次起步操作并采集数据，从如图3所示的原车时域振动特性图中，可以看出振动加速度曲线中存在多次冲击特征，如在第20 s时刻，发动机转数为1 141 rpm、指示扭矩为25%时振动幅值出现突变，振动幅值约为5 g并伴随“咔哒”异响产生，近场传声器声压曲线中也在同时刻出现幅值突变现象。

图2 传感器布置点

图3 原车时域振动特性 Fig.3 Time domain characteristics of vehicle vibration 2 车轮端起步异响排查 因为根据主观评价结果，判断异响发生在驱动轮部位，因此考虑时与驱动轮相关联的部件进行排查。将驱动半轴拆卸后可见在驱动半轴与轮毂轴承接触面存在明显摩擦痕迹，初步判定异响为该接触面旋转摩擦产生。为进一步确定异响是由驱动半轴与轮毂轴承接触接合面旋转摩擦产生，对驱动半轴锁紧螺栓力矩进行调整(工装状态下锁紧力矩为270 N·m)，观察异响变化情况。不同锁紧力矩下异响的变化情况如表1所示，根据异响的变化情况，最终确定驱动半轴与轮毂轴承接触面旋转摩擦即为异响源。 表1 不同锁紧力矩下异响变化情况表 Table 1 Variation of abnormal noise under different locking torques 试验编号锁紧力矩Tω/(N·m)异响变化情况 1320明显 2270明显 3220明显 4170明显 5120轻微 6 70无异响 7 20无异响 车辆在起步过程中，发动机输出扭矩通过离合器、变速器、传动轴等传动系统部件传递动力至车轮实现起步功能。在起步时，异响可通过空气、结构传递至车内，传递路径如图4所示，因此考虑从异响源和传递路径方向进行分析控制。 图4 轮端异响传递路径 Fig.4 Transmission path of “click” noise at the wheel end 3 起步异响产生机理分析 根据驱动半轴与轮毂轴承装配结构，可以看出驱动半轴与轮毂轴承之间通过花键连接并配合紧固螺栓固定，且与驱动半轴轴肩相接触，如图5(a)、5(b)所示。 (a) 示意图 (b) 结构图 图5 驱动半轴与轮毂轴承装配示意图 Fig.5 Assembly diagram of driving half shaft and hub bearing assembly 由于驱动半轴上的外花键与轮毂轴承内花键存在配合间隙，且花键在起步扭矩冲击下将产生微小弹性变形，二者误差累积，则驱动半轴轴肩与轮毂轴承端面会产生微小的相对位移。因此，在起步扭矩冲击下有发生粘滑运动风险。由于驱动半轴与轮毂轴承通过紧固螺栓联结，螺栓锁紧力矩与接触面摩擦系数、正压力等存在如下关系： (1) 其中：是紧固螺栓锁紧力矩，单位为N·m；是摩擦系数；是正压力，单位为N；D是锁紧螺栓直径，单位为mm； 当从原地起步时，若半轴输出扭矩远大于螺栓锁紧力矩，则二者的结合面之间将会发生相对滑动，由静摩擦转变为滑动摩擦。螺栓锁紧力矩与螺栓直径D为常数，则正压力与摩擦系数成反比： 11月2日，中国人民银行发布了《中国金融稳定报告（2018）》，对2017年以来我国金融体系的稳健性状况进行了全面评估。报告认为，2017年以来特别是进入2018年，世界政治经济格局发生深度调整变化。外部不确定性的增加，使得中国经济金融体系面临的外部环境日趋复杂。即便如此，在世界主要经济体中，中国经济仍然保持了较高增长水平，而且随着防范化解重大风险、精准脱贫、污染防治三大攻坚战的展开，经济增长质量持续改进，供给侧结构性改革在复杂多变的环境中持续向前推进，中国金融体系弹性增强，金融运行总体稳定。 (2) 对于干摩擦表面，不同钢材之间摩擦系数[10]如表2所示，可以看出不同材料组合的静、滑动摩擦系数差别较大。此外，起步时间越短，静摩擦状态下储存应变能释放时间越短，则产生的冲击作用越大。同时，对比在有油脂润滑状态下，静、滑动摩擦系数改变量很小，因此轴向正压力改变量小引起的冲击异响不明显，这也解释了为何润滑剂能够抑制摩擦现象。 方干又有诗《题龟山穆上人院》，据《宋高僧传·越州妙喜寺僧达传》载：“释僧达姓王氏，会稽人也，稚齿英奇不参戏，参与龟山妙喜道场。”又有《宋高僧传·唐洪州宝历寺幽玄传》：“未几移居湖心龟山妙喜古寺。”[11]可知龟山便处于镜湖当中。 表2 摩擦系数表 Table 2 List of friction coefficients 材料一材料二静摩擦系数滑动摩擦系数 干摩擦油脂润滑干摩擦油脂润滑 低碳钢低碳钢0.74-0.570.09～0.19 高碳钢高碳钢0.780.05～0.110.420.029～0.12 为了研究的便利，本文将该摩擦模型简化为悬臂梁和旋转体的接触结构模式，如图6所示。 图6 摩擦模型示意图 Fig.6 Diagram of friction model 此外，本文对该简化模型进行如下假设： (1)失重实验。实验所用N80碳钢试片尺寸为30 mm×15 mm×3 mm，模拟地层水溶液通高纯CO2除氧，使溶液中CO2饱和，在模拟现场最苛刻工况(60℃、CO2分压4 MPa)的条件下进行静态高温高压釜挂片实验72 h。腐蚀速率按式(3)计算。 (1) 悬臂梁整体质量等效悬臂梁端质量块； “资金、技术、企业、人才”是农业建设发展建设过程中不可或缺的四大元素。会上，国务院参事室特约研究员、原农业部党组成员、总经济师张玉香，墨西哥农业部驻华代表处公使卡洛斯·阿尔德科，日本驻华大使馆经济部官员山本裕介，清华大学农村研究院首席专家、发改委农村经济司原副司长方言，国家发展和改革委员会宏观经济研究院副院长马晓河等嘉宾先后进行了发言。 (2) 悬臂梁的运动为微变形。 紫外分光光度法是根据芝麻油中的木脂素等物质的特征吸收峰不同从而进行定性定量分析的一种方法。朱杏冬等[22]采用紫外分光光度法检测芝麻油纯度，操作简单，试剂用量少且精密度较高，其含量与波多因改进法相似。倪澜荪等[23]以正己烷为溶剂测定284 nm处的吸光值，以棉籽油、花生油等做标准加入回收实验且回收率为97.1%，检测精度可以达到0.2 mg/kg。 通过理论分析旋转摩擦诱发质量块粘滑运动规律[11-16]，本文仅考虑梁在接触面摩擦力的作用下沿y向运动，集中质量块也跟随着做相同的运动，悬臂梁在此时产生的弹性变形形成了一定大小的恢复力，当该恢复力与静摩擦力和重力之和等大反向时，该粘滑运动过程中的初次粘滞期结束，此时满足条件： (3) 其中，k代表悬臂梁的刚度值大小；代表初次粘滞结束时质量块的坐标。 在初次粘滞期结束以后，该集中质量块还具有一定大小的速度值，根据运动学的惯性定理可知，该集中质量块将会顺着y轴向下产生一定距离的滑动位移，此时满足条件： (4) 令，根据初始条件可解方程得： (5) 其中，E为悬臂梁的弹性模量；A=ab为悬臂梁的横截面面积；m为悬臂梁的端部集中质量块质量；N为沿悬臂梁的轴向作用力；为接触面静摩擦系数；为接触面滑动摩擦系数；为粘滑中初次滑动结束时质量块坐标；r为集中质量块做圆周运动的运动半径。 从粘滑运动方程中可以总结出不同参数的大小与粘滑运动之间的关系： (1) 悬臂梁的刚度k以及零部件接触面的面积A越大，则发生粘滑振动时的振幅就越小。 The Research on the Reform of the Teaching Mode of Accounting Specialty in the Context of Internet +——A Case Study of Corporate Tax Practice___________________MA Heng 101 (2) 正压力N、滑动摩擦系数以及静摩擦系数的值越小，则发生粘滑振动时的振幅就越小。 4 方案可行性验证 为了检验该车轮端的起步粘滑异响是由于驱动半轴与轮毂轴承之间的接触面的摩擦转动导致的，本文在两个部件的接触面之间添加了一种含有减摩涂层的特制垫圈，其结构和尺寸如图7所示。 图7 特制减摩垫圈 Fig.7 Special anti-friction washer 再次采用主观评价法对加装特制垫圈后的车轮端异响进行评价，原始异响消失，利用专业设备采集加装特制垫圈前后的声音数据，并进行客观分析，结果如图8所示。原车状态下在起步过程中振动加速度和传声器幅值都存在突变现象即起步异响现象，而加装特制垫圈后在起步过程中振动加速度和传声器幅值曲线平滑幅值突变现象消失，表明加装垫圈后除了正常的齿轮啮合振动，无振动幅值突变现象，起步异响现象消失。 图8 加装垫圈后的时域振动特性 Fig.8 Time domain characteristics of vehicle vibration after adding the washer 5 起步异响控制工程化因素 根据对粘滑振动理论探讨以及对简化摩擦模型的仿真结果分析，可以明确在影响粘滑运动规律的诸多因素中，传动中的正压力、零部件接触面的设计参数以及动、静摩擦系数变化等影响较大。根据前文分析，针对机械传动系统中类似的粘滑异响控制和优化，可从以下方面进行改进： (1) 设计花键时把轴花键形式更改成面花键形式，通过改变配合方式来杜绝粘滑异响； 军队行政权力清单制度，是指军队各级在对其所行使的行政权力进行全面梳理的基础上，依法界定每个部门、每个岗位的职责与权限，然后将职权目录、实施主体、法规依据、监督方式等以清单形式进行列举，对运行流程进行图解，并在一定范围内公开并接受监督的一种规定和准则。权力清单制度的核心内涵就是“法无授权即禁止”“法定职责必须为”。换言之，清单所涵盖的范围就是行政权力的合法行使范围，清单以外就是行政权力不能随意进入的范围。 (2) 尽可能在设计过程中采用具有较小摩擦力的配合面，较小摩擦力可保证在产生粘滑运动时避免异响； (3) 设计过程中，尽可能减小紧固锁紧力，以便有效降低粘滑运动过程中的轴向冲击力； (4) 尽可能在设计过程中保证更小的花键配合间隙，以此减小或消除配合面发生粘滑的可能； (5) 采用有效方法阻断异响的传递路径，比如尽可能在设计过程中提高车身的密封性能等。 各种具体措施的改善情况如表3所示。 例5（2015·云南）：如图是测量额定电压为3.8V的小灯泡的电功率的实物电路图，小灯泡的电阻约为10Ω。请在虚线框内画出与实物图对应的电路图。 综合考虑不同改善措施的改善效果、所需成本、可靠性以及不同改善方案的工程化实施性，本文最终决定采用特制减摩垫圈，进而改变传动零部件接触端面的动态摩擦特性，以此进行该粘滑异响的控制，简单方便，成本低，可实施性强。 表3 不同起步异响控制措施的改善效果比较 Table 3 Comparison of improvement effect between different control measures on abnormal starting noise 序号工程化控制措施改善结果 1轴花键设计成面花键(杜绝粘滑异响)有效 2在接触面增加减摩垫圈(减小摩擦力)有效 3在接触面涂抹减摩材料(减小摩擦力)有效，衰减严重 4减少紧固螺栓扭矩(减小轴向冲击力)轻微改善 5内花键表面涂胶(保证更小配合间隙)部分有效 6加强车身密封(改善传递路径)有效 7将前地毯加厚(改善传递路径)有效 针对垫圈的使用寿命验证，本文使用添加特制垫圈的车辆在专用汽车实验场地进行可靠耐久性能试验，每间隔3 000 km做一次实验记录，测试里程高达数万公里，测试结束检测显示，异响未再出现，特制垫圈未出现明显破损，其磨损状态在计算安全范围内。 6 结论 汽车性能的不断提升，发动机输出扭矩也在不断增加，尤其是在大力发展新能源的趋势下，相比于传统内燃机电机，新能源发动机的输出扭矩将会更大。因此，在起步过程中因扭矩冲击作用而引发的粘滑摩擦异响问题将会更加突出。本文通过分析，得出以下结论： 一是个税应该进一步降低。今年10月1日起，个税减税政策已经率先实施，工资薪金起征点提至5000元，并适用新的税率，而明年1月1日起个税改革将全面实施，老百姓还能享受专项附加扣除。个税起征点提高到每月5000元以后，从总体上来讲，税收一年大致要减3200亿。 按照水利部、财政部、国土资源部和中国气象局的有关文件要求，省水利厅会同省财政厅、省国土资源厅、省气象局成立了项目建设领导小组，并成立省山洪灾害预警系统建设项目办公室（以下简称省项目办）作为项目法人，承担项目的建设管理工作；各设区市、县成立相应的项目建设管理机构，省市水文部门作为同级项目办成员参与项目建设管理，以支撑项目中暴雨洪水监测系统的建设；气象部门成立相应项目建设机构负责气象部门实施内容的建设。 (1) 针对车辆在起步过程中的“咔哒”异响进行主、客观分析，最终确定异响产生源为驱动半轴与轮毂轴承结合端面粘滑摩擦导致。 (2) 通过建立合理的物理模型，分析粘滑运动过程中相关的正压力、滑动摩擦系数、静摩擦系数等参数的影响，利用一种特制的减摩垫圈，进而改变传动零部件接触端面的动态摩擦特性，稳定控制了传动过程中的摩擦系数变化量，保证动力可以平稳过渡，有效抑制粘滑异响，解决了该车型驱动轮端的起步异响问题。 (3) 针对此类粘滑摩擦所引发的异响问题给出了多种异响控制方案，对以后新车型开发设计过程中动力传动系统中类似粘滑异响问题的规避提供了参考意见。 参考文献 [1] 吴光强, 栾文博. 汽车传动系相关NVH问题的动力学研究论述[J]. 机械工程学报, 2013, 49(24): 108-116. 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Geely Automobile Research Institute, Hangzhou 310000, Zhejiang, China;4. Chongqing Chang’an Auto Oushang R&D Center, Chongqing 400044, China) Abstract: In the starting process of a certain front-engine front-drive vehicle, the “click” sound appears and the high occurrence rate of this trouble seriously affects the quality of whole vehicle. Through the investigation and analysis, it is clarified that the phenomenon of abnormal noise is caused by the stick-slip vibration of the contact end face between the wheel-hub bearing and the driving half-shaft. In the stick-slip process, the friction type of the contact end face transfers from static friction to dynamic friction and the axial impact introduced by the changes of friction coefficient generates abnormal noise. A simplified physical model is established, the influences of dynamic and static friction coefficients, positive pressure and contact area on stick-slip motion are analyzed. A special anti-friction washer is added to the contact interface to minimize the change of friction force during the transfer from static friction to dynamic friction, so that the trouble of starting “click” noise is eventually solved. At present, there are few researches on stick-slip friction in vehicle transmission system. The research in this paper has reference significance for the similar stick-slip abnormal noise treatment in the design process of the new vehicle transmission. Key words: driving half-shaft; wheel hub bearing; tribology; stick-slip friction 中图分类号：TB53 文献标识码：A 文章编号：1000-3630(2019)-04-0446-06 DOI编码：10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.015 收稿日期: 2019-01-15; 修回日期: 2019-02-21 作者简介:岳川元(1992－), 男, 四川广元人, 硕士研究生, 研究方向为智能驾驶车辆横纵向运动控制、汽车NVH噪声振动控制。 通讯作者: 岳川元, E-mail: 905398304@qq.com