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汽車傳動軸高頻嘯音NVH問題研究與解決

2021-10-14 20:06:53·  來源：汽車NVH之家  
　
作者 | 李小北/北京奔馳汽車有限公司摘要：噪聲、振動和舒適性，即NVH（N-noise，V-vibration，H-Harshness），是衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合指標(biāo)，影響著汽車乘
作者 | 李小北/北京奔馳汽車有限公司

摘要：噪聲、振動和舒適性，即NVH（N-noise，V-vibration，H-Harshness），是衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合指標(biāo)，影響著汽車乘坐舒適性，也成為各大汽車商家競爭的標(biāo)尺，特別是對于高端乘用車，顧客對車內(nèi)噪聲要求更是到了苛刻的地步。實踐證明，汽車上幾乎所有的子系統(tǒng)都與NVH 問題緊密聯(lián)系。作者所在的汽車企業(yè)對于NVH問題尤為關(guān)注，質(zhì)量部門在日?？己酥袝r有發(fā)現(xiàn)各類噪音，振動，舒適性等問題，在與德國同款車型對比后，存在共性及中國獨(dú)有問題。如變速箱相關(guān)噪音問題多為共性問題，傳動軸及半軸類問題多為中國獨(dú)有問題。此類問題對車型的銷售及車型品牌造成了不良影響，因此必須分析此類問題產(chǎn)生的原因并制定合適的措施，盡可能消除或阻隔此類噪音，徹底解決問題。為此，文章系統(tǒng)研究了NVH 類噪音問題發(fā)現(xiàn)及解決機(jī)理，從消除振動與噪聲產(chǎn)生的根源出發(fā)，采用隔振及優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法有效解決了NVH 問題，避免了重新設(shè)計所需要的高成本，并在最短時間內(nèi)在市場體現(xiàn)，有效改善了客戶滿意度，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。后文將結(jié)合傳動軸高頻嘯音的實際案例詳細(xì)闡述問題解決過程及優(yōu)化方案。
 
前言
隨著人們生活水平的不斷提高，噪聲污染問題逐漸引起社會各界的廣泛關(guān)注。而交通噪聲污染是影響人類生活的噪聲污染之一，汽車產(chǎn)生的噪聲污染占據(jù)了其中 70%。發(fā)動機(jī)作為汽車上的動力部件，為汽車提供動力的同時也會給汽車帶來噪聲問題，它所帶來的噪聲問題超過汽車噪聲的50%。
 
從汽車的發(fā)展來看，發(fā)動機(jī)功率在汽車發(fā)展初期處于較低的水平，汽車和發(fā)動機(jī)都在低速條件下運(yùn)行，因此汽車的振動與噪聲問題不明顯。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車朝著高效、舒適的方向發(fā)展，發(fā)動機(jī)功率與汽車車速不斷提高，由此帶來的振動與噪聲問題日益凸顯。相關(guān)研究表明，汽車在行駛過程中的振動與噪聲將會影響到駕駛員的駕駛行為，從而給汽車行駛安全帶來隱患。因此，人們趨于選擇具有安靜、平穩(wěn)的駕駛環(huán)境的汽車。由此可見，汽車的振動與噪聲性能影響到產(chǎn)品的市場競爭力。提升這方面的性能將為汽車帶來更為廣闊的市場。所以，對汽車駕駛艙內(nèi)噪聲和振動控制是汽車設(shè)計與制造過程中關(guān)鍵對象。汽車的NVH 問題主要來源于發(fā)動機(jī)工作噪音振動，車輪與路面接觸振動，車輪胎噪，行駛過程中風(fēng)噪，電子元器件工作噪音，傳動系統(tǒng)動平衡問題導(dǎo)致的噪音，各系統(tǒng)關(guān)鍵位置軸承噪音等等類型，在汽車行駛過程當(dāng)中一直處于工作狀態(tài)各個系統(tǒng)不同程度的為NVH 帶來貢獻(xiàn)。研究各系統(tǒng)的工作機(jī)理與傳播途徑，進(jìn)而通過調(diào)整零部件結(jié)構(gòu)、懸置阻尼或車身板件剛度等影響振動與噪聲傳播途徑的關(guān)鍵參數(shù)， 來切斷或削弱振動與噪聲的傳播途徑，改善汽車的振動和噪聲問題。
1 NVH 問題根本原因分析原理
1.1 NVH 具體定義
NVH（噪聲、振動、舒適性）是對于車輛噪音及振動特性的研究。噪音及振動可以通過技術(shù)手段被實際測量，而舒適性僅是主觀評價，可以通過組建多人評分，取評分的平均值的方式得出結(jié)果。當(dāng)下各大汽車研究領(lǐng)域?qū)τ贜VH 問題投入大量的人力跟物力，已追求更好的整車NVH 狀態(tài)。再次NVH 問題一般發(fā)生于整車設(shè)計結(jié)束之后，如發(fā)現(xiàn)噪音后采取重新設(shè)計的方法成本及時間投入過大， 所以一般解決NVH 問題均采用阻斷傳播路徑或抑制噪音等被動方式，或采用主動降噪方式國內(nèi)主機(jī)廠均有采用。
1.2 NVH 的源頭
NVH 的源頭主要來源于三大方面：空氣動力學(xué)相關(guān)（如風(fēng)噪，空調(diào)風(fēng)噪音等等），機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)（如動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)）以及電子電器相關(guān)（如隱藏式倒車攝像頭翻轉(zhuǎn)電機(jī)噪音）。本文此次研究對象傳動軸高頻噪音，在經(jīng)過反復(fù)測試，交叉試驗，臺架試驗確定后，最終確定了噪音來源，文后將詳細(xì)闡 明。
1.3 聲音及振動轉(zhuǎn)播途徑
聲音傳動的主要途徑可以分為空氣傳播及固體結(jié)構(gòu)傳播，主要區(qū)別在于傳播速度不同，空氣傳播噪音僅為聲音在空氣中傳播速度 343m/s，在固體結(jié)構(gòu)中傳播速度取決于其本身特性，如聲音在橡膠中傳播速度為1500m/s，在鋼結(jié)構(gòu)中傳播速度為5900m/s，在鋁結(jié)構(gòu)中傳播速度為 6300m/s。但是對于汽車相關(guān)的NVH 問題大多數(shù)為空氣傳播與固體機(jī)構(gòu)傳播的結(jié)合類問題。本文此次研究的傳動軸高頻噪音主要通過其與車身的連接點(diǎn)傳入駕駛艙后，再次傳入人耳。通過
頭戴式噪音錄制設(shè)備及聲學(xué)早相機(jī)可以定位出其噪音主要傳遞來源于車內(nèi)中央通道中后部，但依然不排除噪音是由其他部件產(chǎn)生。
1.4 頻率，振幅，波長及階次
1.4.1 頻率
頻率 f 是每秒重復(fù)事件（時間單位）。物理單位為 Hz。用來衡量聲音的高低。見以下公式，在此次本文研究中，該噪音頻率與固有零件噪音頻率階次均不同。
 
 
1.4.2 振幅
振幅A0 是最大值；在大多數(shù)情況下，使用有效值A(chǔ)eff（RMS =根均方）。用來衡量聲音的大小。
 
 
1.4.3 波長
波長λ 定義為在同一相的 2 點(diǎn)之間最短距離。波長λ，頻率f 和聲音速度C 之間的關(guān)系可以表達(dá)為：
 
 
1.4.4 階次
階次的定義為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件完成一個循環(huán)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，已8 缸發(fā)動機(jī)為例， 在 1200rpm 轉(zhuǎn)速下：
 
 
以上各參數(shù)均可通過設(shè)備進(jìn)行測量或直接讀取，在噪音分析過程中，起到極其重要的作用。在通常情況下，以某品牌四缸發(fā)動機(jī)車型為例，發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)噪音以 2 階次為活塞工作噪音，2 階次噪音可以激勵其他 4 階次，8 階次， 16階次等噪音，傳動系統(tǒng)變速箱噪音各檔位階次各不相同，但其輸出軸與傳動軸及差速器輸入周之間無齒輪傳動，僅為撓性或萬向節(jié)傳動。如噪音由差速器產(chǎn)生，則其噪音為 36 階次或其他階次（取決于差速器內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)使其噪音為固定階次）。
 
 
圖1
2 傳動軸高頻噪音的研究
汽車的噪音（Noise）、振動（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）統(tǒng)稱為汽車的 NVH 特性，是衡量汽車設(shè)計及制造質(zhì)量的一個重要因素。隨著人們環(huán)境、健康意識的不斷提高，車輛的舒適度及品質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注，較高噪音和振動的車輛不僅對周圍環(huán)境產(chǎn)生聲污染，同時也危害駕駛員和乘客的健康。在競爭激烈的汽車市場上，提高車輛噪音水平已成為新的競爭焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。與此同時，國際市場越來越嚴(yán)格的汽車噪音標(biāo)準(zhǔn)對車輛的準(zhǔn)入設(shè)定了更高的限制。在此背景下，車輛的 NVH 性能正成為汽車研發(fā)過程中最為重要的性能指標(biāo)，也是用戶所關(guān)心的整車性能指標(biāo)之一，汽車噪音控制水平必將成為汽車技術(shù)創(chuàng)新的重要高地，與之相關(guān)的分析、測試及材料技術(shù)等自然成為汽車工程領(lǐng)域關(guān)注的新焦點(diǎn)。
對于傳動軸高頻嘯音的研究，找出其發(fā)生機(jī)理，解決問題根本所在，刻不容緩。該噪音在特定的環(huán)境條件下極易復(fù)現(xiàn)，如在北方嚴(yán)寒冬季客戶抱怨會急劇增加，為將問題解決在初期階段，本文將深入研究其問題產(chǎn)生條件及根本原因，側(cè)重從整車噪音采集，交叉試驗，具體零件噪音分析等過程詳細(xì)描述噪音解決過程及給出最終方案。
2.1 傳動軸高頻嘯音的產(chǎn)生機(jī)理
傳動軸作為主要傳動部件，起到連接變速箱及差速器的作用，傳動軸一般為兩段式，中間多選用萬向節(jié)連接，用軸承配合支架連接到車身對中段起到支撐作用。傳動軸作為旋轉(zhuǎn)零部件在動平衡合格，裝配角度合格等條件下不易產(chǎn)生噪音。某品牌轎車傳動軸兩端為橡膠撓性連接對于降噪起到了更好的作用，為了輕量化設(shè)計，傳動軸采用軸管式設(shè)計，其動平衡要求較高，但在不同的轉(zhuǎn)速下由于軸管強(qiáng)度的原因，較高轉(zhuǎn)速時動平衡傳動軸轟鳴噪音，軸管動平衡貼片不能起到太大的作用，這樣就需要使用固定頻率的諧振塊安裝在差速器后端用于抑制傳動軸高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的轟鳴噪音，但此課題不在本次研究范圍內(nèi)。在傳動系統(tǒng)中，高頻噪音多由金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，金屬齒輪嚙合或軸承旋轉(zhuǎn)噪音。而究其原因，齒輪嚙合類噪音多為跨棒距設(shè)計不合理，或表面粗糙度不 良，或裝配應(yīng)力提前磨損，或潤滑失效所導(dǎo)致。
2.2 傳動軸高頻嘯音問題初步分析
通過使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行記錄及軟件分析得出，在低溫及固定檔位下，該噪音可隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化持續(xù)發(fā)生，頻率在780-900hz。由于從變速箱輸出端至傳動軸至差速器輸入端，均為撓性連接，即傳動系統(tǒng)噪音階次均為36 階，無法區(qū)分出噪音來源于變速箱或傳動軸或差速器，基于測量結(jié)果該噪音階次與36 階不符，且主觀評價該噪音來源于車中后部地板下傳至車內(nèi)，由此判斷，傳動軸中間支架處高度疑似噪音發(fā)生源。且該傳動軸高頻嘯音受溫度影響，低溫狀態(tài)下可復(fù)現(xiàn)，完全熱車后噪音消失，高溫狀態(tài)下噪音消失。為驗證分析結(jié)果，重復(fù)多次進(jìn)行交叉試驗，排除裝配導(dǎo)致噪音的可能性，最終確認(rèn)噪音隨產(chǎn)生噪音的傳動軸轉(zhuǎn)移。見圖2FFT vs time 結(jié)果所示頻率在780-900hz 之間。噪音源高度疑似位置見圖3。
 
 
圖2
 
 
圖3
2.3 臺架試驗深入分析傳動軸高頻噪音來源
2.3.1 測試目的及方法
測試低溫及常溫狀態(tài)下傳動軸高頻噪音發(fā)生條件及產(chǎn)生的區(qū)間范圍。被測試傳動軸在低溫保存（-24 攝氏度，14 小時）后裝配至試驗臺，從傳動軸靜止開始記錄，最高到達(dá)2200rpm，記錄傳動軸中間軸承噪音及振動。待傳動軸溫度與室溫一致時重復(fù)試驗并記錄。主要使用加速度傳感器測量中間軸承支架振動，近距離麥克風(fēng)用于直接記錄軸承噪音，遠(yuǎn)距離麥克風(fēng)用于模擬主觀評價噪音。具體設(shè)置如下圖4 及圖5 所示：
 
 
圖4
 
 
圖 5
2.3.2 測試條件及結(jié)果具體記錄
測試結(jié)果需分4 段連續(xù)記錄：0-1300rpm 記錄15 秒，1300-2200rpm 記錄90 秒，2200rpm 記錄60 秒，2200-0rpm記錄60 秒，并且需要記錄不同溫度下噪音水平，具體如下圖6 所示：
 
 
圖6
（1）結(jié)果分析
基于以下圖示結(jié)果，傳動軸軸承噪音在不同溫度不同轉(zhuǎn)速下，噪音存在差別，但噪音清晰，可再現(xiàn)，可最終確定為傳動軸軸承噪音。在1300rpm 至2200rpm 及2200rpm 至0rmp 過程中噪音尤為明顯。下圖7 為負(fù)24 攝氏度測量結(jié)果。
 
 
圖7
下圖8為室溫設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)從0至1700rpm 至0的測量結(jié)果。
 
 
圖8
下圖9為室溫設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)從0至2200rpm 至0的測量結(jié)果。
 
 
圖9
下圖10 為負(fù)24 攝氏度0-1300-2200-0rpm 加速度傳感器測量結(jié)果。
 
 
圖10
下圖11 為室溫17 攝氏度0-1700-0rpm 加速度傳感器測量結(jié)果。
 
 
圖11
下圖12 為室溫24 攝氏度0-2200-0rpm 加速度傳感器測量結(jié)果。
 
 
圖12
下圖13 為聲譜分析結(jié)果，分別在為負(fù)24 攝氏度及室溫下的聲譜分析結(jié)果?？梢愿庇^的查看噪音現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)速增大及降低的過程中，噪音明顯。
 
 
圖13
（2）解決方案
通過試驗確定了傳動軸中間軸承為噪音來源，通過更換低溫潤滑特性更好的潤滑脂后，經(jīng)過一些列耐久試驗，最終該方案得到放行。從而避免了客服抱怨的可能，保證了公司的品牌形象及產(chǎn)品質(zhì)量。該方案最終被同時應(yīng)用于其他低溫較低地域。
 
3 結(jié)論
隨著科技發(fā)展，時代在進(jìn)步，家用乘用車設(shè)計對于顧客的乘坐舒適性越來越注重，駕駛艙內(nèi)噪音是其中極其重要的關(guān)鍵指標(biāo)。在遇到車內(nèi)噪音問題，如傳動軸高頻嘯聲時，先期很難直接判斷噪音來源于傳動軸軸承，但是通過測 量，交叉試驗，可最終確定噪音源來源于傳動軸，為了確認(rèn)下一步傳動軸具體發(fā)生噪音的位置及臺架試驗做好鋪墊，該噪音的產(chǎn)生源于設(shè)計開發(fā)階段考慮的條件及工況不足，導(dǎo)致下級零部件未達(dá)到相關(guān)要求。該噪音雖為偶發(fā)，沒有必然發(fā)生的可能，但該噪聲會直接導(dǎo)致客戶的抱怨，影響產(chǎn)品品質(zhì)。
本文就潛在客戶抱怨問題，對傳動軸所在傳動系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對于傳動軸工作噪音原理、傳播途徑進(jìn)行了全面的探索，最終發(fā)現(xiàn)傳動軸高頻嘯聲的主要傳播路徑是：傳動軸軸承—金屬支架—白車身—乘員艙。通過更換傳動軸下級件傳動軸中間軸承潤滑脂，使得駕駛艙內(nèi)噪音消失，該方案的成本遠(yuǎn)小于重新設(shè)計新的軸承所需成本，并可由下級零部件供應(yīng)和說那個即可應(yīng)用， 快速是實在生產(chǎn)和售后中，有效消除了客戶抱怨，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。
基于傳動軸中間軸承高頻嘯聲產(chǎn)生的原因由測試不足導(dǎo)致，在以后的設(shè)計當(dāng)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度條件及下級零部件開發(fā)過程，各零部件的選用務(wù)必符合相應(yīng)的測試條件，方可杜絕此類問題的發(fā)生。
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