摘 要

差速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要傳動部件之一，其故障模式的分析與控制一直是汽車行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。以某搭載緊湊型轎車的低速行駛轉(zhuǎn)彎異響為背景，系統(tǒng)闡述了問題分析與排查過程，通過差速器性能臺架實現(xiàn)了異響問題的復(fù)現(xiàn)，結(jié)合故障零部件的解析，提出了差速器異響問題的潛在機理和解決思路。通過行星軸定位裝配方式和加工工藝的優(yōu)化，準(zhǔn)確有效地消除了該車型差速器的異響，這對于整車瞬態(tài)工況下傳動系統(tǒng)NVH（Noise、Vibration、Harshness）與異響問題的解決排查，具有一定的工程指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞:差速器，異響，行星齒輪，半軸齒輪，行星齒輪軸

作者：張軍，鮑勇仲，儲勝祥，張翰芳

單位：吉利汽車研究院（寧波）有限公司， 浙江寧波

0 引言

差速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要傳動部件之一，其作用是保證汽車轉(zhuǎn)彎過程中內(nèi)/外輪速度差與動力轉(zhuǎn)矩的傳遞，直接影響著車輛行駛的功能可靠性和舒適性。隨著汽車NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能整體水平的提高，市場用戶對車輛異響問題的要求也越來越關(guān)注。由于異響問題往往是差速器功能失效和異常磨損的前期征兆[1-3]，因此，汽車差速器的故障模式分析方法和開發(fā)設(shè)計能力，一直是汽車行業(yè)內(nèi)研究的熱點領(lǐng)域之一[4-5]。

陳煜等[6]通過差速器齒輪墊片黏滑摩擦性能的研究和墊片表面處理工藝的改進(jìn)，解決了某純電動車行駛轉(zhuǎn)向過程的異響問題。Wan X等[7]提出了一種小波包分析方法，可快速準(zhǔn)確識別出汽車轉(zhuǎn)向的輪轂軸承異響問題。封旗旗等[8]采用行星齒輪齒廓修形和偏心螺旋線修形的方法，降低了差速器齒輪噪聲。劉宏等[9]對差速器的雙金屬墊片和鋼墊片進(jìn)行了臺架磨損對比試驗。Yuan W等[10]研究了差速器徑向溝槽墊片的摩擦特性。易勇等[11]提出，試驗規(guī)范和裝配技術(shù)要求是差速器異響性能開發(fā)控制體系的重要因素。雖然行業(yè)內(nèi)對差速器異響與噪聲性能的排查分析和試驗流程等方面取得一定的進(jìn)展，但研究領(lǐng)域主要集中在整車準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況和耐久可靠性領(lǐng)域，對于差速器瞬態(tài)不確定性異響問題的分析與工程化應(yīng)用研究較少。

本文中以某緊湊型轎車的低速行駛轉(zhuǎn)彎異響為案例，系統(tǒng)闡述了差速器異響的排查分析過程，分析了整車與差速器試驗臺架的客觀測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，通過行星軸定位裝配方式和加工工藝的優(yōu)化改進(jìn)，快速有效地解決了該車型的差速器異響問題。

1 問題描述

某搭載1. 5 L 四缸自吸發(fā)動機和CVT（Continu?ously variable transmission）無級變速器的橫置前驅(qū)緊湊型轎車，在光滑路面的低速轉(zhuǎn)彎加速行駛過程中，在底盤ESP（Electronic stability program）功能未激活時，前機艙內(nèi)存在較明顯的“嗒嗒”異響（前機艙的動力傳動系統(tǒng)如圖1所示），但整車沒有抖動或聳動現(xiàn)象。并且，左、右兩側(cè)的轉(zhuǎn)向工況都存在該異常噪聲，而在車輛直行時則異響消失；同時，松油門轉(zhuǎn)彎過程也沒有異響。由于低速轉(zhuǎn)彎行駛時的車內(nèi)背景噪聲較低，這種金屬撞擊特征異響聲就更容易被車內(nèi)的駕乘人員感知和抱怨。此外，在車輛持續(xù)地“繞8字”磨合行駛短暫里程之后，該異響發(fā)生幾率有一定程度的降低。

圖1 前懸架動力傳動系統(tǒng)示意圖

為了排查轉(zhuǎn)彎異響問題的原因，將車輛放置在柱式舉升機上，整車的方向盤偏轉(zhuǎn)一定角度，在D擋下小油門加速，異響沒有復(fù)現(xiàn)；另外，自動變速器掛入N擋，人工手動轉(zhuǎn)動任何一側(cè)的前輪胎，也沒有復(fù)現(xiàn)出該異響。因此，初步推測該異響問題可能與變速器潤滑相關(guān)，或者與動力傳動部件的磨合水平相關(guān)；且無法主觀識別判斷出異響源位置，需要進(jìn)一步進(jìn)行振動噪聲的客觀測試分析。

1.1?

整車測試方案

為了排查該車型轉(zhuǎn)彎異響問題特征和異響源位置，分析異響與前機艙內(nèi)底盤傳動系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，分別在輪轂軸承、差速器輸出接口、前懸架控制臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿等位置布置了振動加速度傳感器，在發(fā)動機艙內(nèi)底部布置了麥克風(fēng)傳感器，如圖2所示。同時，通過CAN總線同步采集了ESC（Electronic sta?bility control）系統(tǒng)的左、右驅(qū)動半軸速度、車速和發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩等信號。

如圖3所示，在綜合性能試驗場的光滑寬闊路面上，車輛在D 擋模式下以15% 的小油門持續(xù)加速，定圓轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定行駛，車速保持在15 km/h以內(nèi)，進(jìn)行了多次循環(huán)的重復(fù)試驗，同步測試與采集前機艙內(nèi)動力傳動系統(tǒng)部件的振動信號。

圖2 整車測試的傳感器布置

  圖3 整車測試行駛示意圖

1.2?

整車測試結(jié)果的分析

在ESC系統(tǒng)測試過程中，由于前機艙底部發(fā)動機與路面的背景噪聲都較大，所采集的麥克風(fēng)聲音信號的異響特征不顯著。然而，通過對各底盤傳動位置測點振動信號的時域特征分析和音頻的反復(fù)回放，結(jié)合主客觀評價的對比辨識，可以明顯發(fā)現(xiàn)，前懸架和傳動系統(tǒng)的各個測點都存在振動沖擊特征，且發(fā)生在同一時刻，如圖4所示。結(jié)合左、右車輪速度和車速等信息，由圖4中可以清晰地識別出各振動沖擊信號的瞬態(tài)時域特征以及沖擊次數(shù)與幅值水平等。

  圖4  轉(zhuǎn)彎異響的振動測試時域特征分析

根據(jù)圖4中信道的測試結(jié)果對比可知，①該車輛在車速為9~11 km/h的定圓轉(zhuǎn)彎行駛過程中，前機艙底盤傳動部件的振動加速度出現(xiàn)了4~5次的瞬時沖擊特征；②差速器輸出口殼體處的瞬時振動沖擊幅值最大，其振動加速度峰值接近8 m/s2，超過底盤其他位置10多倍以上。而差速器殼體處的振動是典型的旋轉(zhuǎn)機械非線性和非高斯信號，存在較強的動力總成激勵載荷干擾，信噪比不高，其故障特征模式識別與降噪處理方法已有較多的研究文獻(xiàn)[12-13]，本文不再贅述；③轉(zhuǎn)向拉桿、下控制臂和輪胎輪轂位置的異常振動沖擊特征更加顯著，這主要是由于減小了動力驅(qū)動系統(tǒng)的振動干擾，其峰值幅值約在0. 5 m/s2以下；④在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向過程中，通過各振動沖擊特征時刻的時域間隔，換算出異響頻率F（1/Δt）約為2. 78~3. 12 Hz。

1.3?

差速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計簡述

該車型CVT變速器搭載了已被廣泛應(yīng)用的對稱式圓錐齒輪開式差速器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要零部件有兩個圓錐行星齒輪（齒數(shù)zp 為10）、一字式行星齒輪軸、兩個圓錐半軸齒輪（齒數(shù)zs為25）、兩個平面墊片、兩個球形墊片、差速器殼體和兩個推力軸承等。兩個行星齒輪分別空套在行星軸軸頸上，半軸齒輪與行星齒輪相互嚙合，行星齒輪軸通過圓柱銷定位在差速器殼體之間。其中，為保證行星齒輪與行星軸軸頸之間的正常潤滑，采用通槽式的行星軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，在兩側(cè)表面分別對稱地銑出平面，坯材為20CrMnTiH，并進(jìn)行了表面鍍鎳耐磨處理。

  圖5 差速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.4?

行星齒輪自轉(zhuǎn)與異響沖擊頻率的關(guān)聯(lián)分析

車輛直行時，行星齒輪無自轉(zhuǎn)運動，只存在公轉(zhuǎn)，并驅(qū)動兩個半軸齒輪同速同向轉(zhuǎn)動。汽車轉(zhuǎn)彎時，由于兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑的差異，差速器的內(nèi)摩擦力矩引起兩個行星齒輪方向相反的自轉(zhuǎn)運動，以抵消車輪之間的轉(zhuǎn)彎附加阻力矩，如圖6所示。行星齒輪驅(qū)動半軸之間的轉(zhuǎn)速差Δω 為[14-15]

Δω = ω1 - ω2 = 2ω3 (zp /zs )         （1）

式中，ω1 為外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速；ω2 為內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速；ω3

為行星齒輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；zp 為行星齒輪齒數(shù)；zs 為半軸

齒輪齒數(shù)。

根據(jù)圖4中ESC系統(tǒng)測試采集的內(nèi)/外側(cè)車輪速度差Δv 約為0. 83 m/s，由前輪型號205/55R17換算出的輪胎周長C 為2. 06 m。通過公式Δω = Δv/C，可以推算出整車轉(zhuǎn)彎測試過程的半軸齒輪轉(zhuǎn)速差Δω 約為24. 17 r/min，再基于式（1），可得到行星齒輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30. 21 r/min。假設(shè)行星齒輪為主動齒輪，并與半軸齒輪在轉(zhuǎn)矩傳遞過程中產(chǎn)生嚙合敲擊，那么，撞擊頻率就約為5. 04 Hz， 而這與圖4 中給出的2. 78~3. 12 Hz異響頻率F（1/Δt）相差較大。因此，整車轉(zhuǎn)彎異響的原因與差速器的齒輪嚙合過程沒有直接的關(guān)聯(lián)性。

  圖6 轉(zhuǎn)彎工況差速器零部件運動的示意圖

綜上所述，該車輛的轉(zhuǎn)彎異響可以初步排除驅(qū)動軸外球籠、轉(zhuǎn)向拉桿球頭、車輪輪轂、半軸諧振器和齒輪嚙合敲擊等常見因素；再根據(jù)異響時域特征以瞬時振動沖擊為主，也大致可以排除軸承類和墊片類的連續(xù)性界面摩擦異響因素。因此，推測該異響源可能發(fā)生在差速器內(nèi)運動部件之間的干涉撞擊。通常，這種瞬態(tài)沖擊異響的影響因素較多，可能涉及到差速器內(nèi)多個運動零部件的間隙沖擊，其問題排除與工程解決的難度較大。

2 基于變速器差速性能臺架的異響排查分析

經(jīng)整車轉(zhuǎn)彎行駛工況的測試分析，初步判定異常噪聲與無級變速器內(nèi)的差速器存在較強關(guān)聯(lián)性。但由于差速器殼體表面上振動傳感器測試信號的信噪比不高，因此，有必要在前驅(qū)變速器差速性能試驗臺架上開展進(jìn)一步的異響源排查工作。如圖7所示，按照實車的安裝狀態(tài)，變速器總成剛性固定在驅(qū)動電機的輸出端，左、右驅(qū)動半軸夾角保持與整車一致，通過輪轂軸承分別連接到測功機，并提取整車測試工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和半軸輸出轉(zhuǎn)速，作為試驗臺架施加的模擬載荷。同時，在差速器殼體、左、右輪轂位置分別布置加速度傳感器，同步采集驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、左、右半軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號，在變速器總成差速運行工況下，進(jìn)行異響問題的排查分析測試工作。

將實車轉(zhuǎn)彎工況存在異響的變速器整體拆裝下來，再安裝在變速器試驗臺架上，進(jìn)行了對比驗證。在變速器差速運行的試驗現(xiàn)場，人耳可以清晰地辨識出復(fù)現(xiàn)的異常沖擊噪聲，而當(dāng)兩側(cè)驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速相同時，異響則消失。根據(jù)圖8所示的臺架測試結(jié)果，該差速器殼體的振動瞬時沖擊特征與整車測試的時域形態(tài)相吻合。并且，由于沒有發(fā)動機激勵載荷的干擾，與整車測試情況相比，變速器試驗臺架的差速器殼體振動通道信噪比明顯提高。經(jīng)測試數(shù)據(jù)對比分析可知：①變速器差速性能臺架試驗可以復(fù)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)彎工況的異響問題，以此可快速進(jìn)行零部件級的原因排查工作；②差速器殼體處的瞬時沖擊特征最為顯著；③與左、右驅(qū)動半軸相連的輪轂位置幾乎沒有相似的振動沖擊特征，其振動音頻回放的撞擊聲也極小。因此，進(jìn)一步驗證了整車轉(zhuǎn)彎異響源來自于差速器內(nèi)部傳動的過程。

  圖7 變速器差速性能試驗臺架和傳感器布置

  圖8 變速器差速性能臺架試驗的時域特征分析

3 差速器異響潛在原因分析與工程控制思路

3.1?

異響故障差速器的零部件解析

經(jīng)對存在異響的故障差速器進(jìn)行拆解，各零部件的外觀上無明顯的磕碰或缺陷，無錯漏裝的情況；半軸/行星錐齒輪的嚙合表面沒有發(fā)現(xiàn)撞擊痕跡；在行星齒輪平墊片和行星齒輪球面墊片上存在有正常的磨痕。但是，在與行星軸間隙配合安裝的圓柱定位銷表面，發(fā)現(xiàn)了異常的線面撞擊痕跡；行星軸平面槽的棱邊處也發(fā)現(xiàn)了異常干涉的刮痕，如圖9所示。這與之前整車測試結(jié)果的異響原因分析推測比較吻合。

(a) 平墊/球面墊片的正常磨痕      (b)定位銷/行星軸的異常痕跡

  圖9 故障差速器的零部件解析

3.2?

差速器異響的潛在原因分析

基于整車和變速器臺架的試驗測試排查分析以及故障零部件的解析，可以推斷：該車型轉(zhuǎn)彎異響的主要原因是行星齒輪軸與圓柱定位銷之間的配合間隙過大，在差速器殼體驅(qū)動一字式行星軸和行星齒輪的過程中，存在轉(zhuǎn)矩傳遞不連續(xù)的問題，引起行星齒輪軸的軸向滑移和非正常的自轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致行星軸與差速器殼體之間發(fā)生間歇性沖擊現(xiàn)象，并在行星軸定位銷表面產(chǎn)生了明顯的線條狀撞擊印痕；另外，如果行星軸與行星齒輪之間潤滑油膜動態(tài)壓力的穩(wěn)定性發(fā)生破壞，可能導(dǎo)致干摩擦接觸現(xiàn)象，這應(yīng)該是產(chǎn)生該異響的次要原因。

3.3?

差速器異響的工程解決思路

在實際的動力傳動系統(tǒng)復(fù)雜異響問題解決過程中，由于對問題機理缺乏深入的分析與推斷，通常會采用“試錯法”開展大量的排查工作，這反而會降低異響排查的效率。本文中根據(jù)以上整車與臺架的測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及對差速器異響的潛在機理推測，建議可以從以下4個方面改善或解決整車轉(zhuǎn)彎異響的問題：

（1） 首要的改進(jìn)措施是減小或消除行星齒輪軸定位銷的安裝配合間隙。比如，通過采用過渡或過盈配合的行星軸銷孔安裝方式；將原來的圓柱定位銷部件更改為中空開口的彈性銷組合，或者螺紋連接結(jié)構(gòu)的固定銷，如圖10所示。

  圖10 彈性銷和螺紋連接銷 

（2） 提高行星齒輪與行星軸之間的彈性潤滑油膜的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生“碰摩”現(xiàn)象。比如，為了減小行星軸截面的不規(guī)則性，減少平行槽的銑削厚度，或者增加平行槽棱邊的圓角過渡，避免在楔形油膜間隙的動態(tài)壓力突變；在行星齒輪的齒間，加工出徑向油孔通道；采用多孔的球面墊片、在行星軸的表面加工螺旋導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)等。

（3） 適度降低差速器錐齒輪之間的嚙合側(cè)隙，減小行星軸與差速器殼體之間的沖擊能量。比如，減小齒輪軸向安裝尺寸鏈封閉環(huán)的配合間隙；增加半軸齒輪或行星齒輪的墊片厚度等。此外，差速器運轉(zhuǎn)的工作溫度也會影響嚙合齒輪與運動部件之間的動態(tài)側(cè)隙[16]。

（4） 通過底盤ESC標(biāo)定的優(yōu)化，降低左、右半軸的轉(zhuǎn)速差限值，也可間接地減少轉(zhuǎn)彎過程中差速器異響發(fā)生的頻次[17]。

4 工程改進(jìn)方案與試驗驗證

在保持差速器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計不變以及不影響其可靠耐久的綜合性能前提下，不調(diào)整齒輪的嚙合側(cè)隙狀態(tài)，再結(jié)合該車型項目開發(fā)成本和后期設(shè)變周期等因素，本文中主要從行星軸定位安裝的尺寸要求與加工工藝方面，為快速有效地解決車輛轉(zhuǎn)彎的差速器異響問題，提出了3項具體的優(yōu)化措施方案：①將原來的行星軸安裝孔與圓柱定位銷之間配合間隙0. 28~0. 38 mm，更改為0. 1~0. 18 mm；②減小行星軸與差速器殼體的配合間隙， 從0. 016~0. 052 mm變更為0. 010~0. 036 mm；③增加對通槽式行星軸棱邊的圓角打磨工序，提高與行星齒輪運轉(zhuǎn)的油膜穩(wěn)定性。

優(yōu)化措施實施后，基于變速器差速性能臺架進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化方案的試驗對比驗證，主觀上已經(jīng)感知不到“嗒嗒”的撞擊異響聲；由圖11所示優(yōu)化前/后客觀測試數(shù)據(jù)的對比可知，差速器殼體的振動沖擊特征基本消失，內(nèi)/外側(cè)半軸輸出轉(zhuǎn)矩的波動幅值顯著降低，說明差速器轉(zhuǎn)矩傳遞過程更加平穩(wěn)。整車換裝改進(jìn)后的變速器總成之后，低速行駛轉(zhuǎn)彎工況的異響消失了，提升了該車型的駕駛品質(zhì)。

  圖11 優(yōu)化前/后的差速器臺架試驗對比

5 結(jié)論

由于車輛轉(zhuǎn)彎異響問題的影響因素較多，其異響機理也不盡相同，涉及到的排查過程也較繁瑣，通常很難快速有效地進(jìn)行解決。差速器是保障汽車轉(zhuǎn)向能力的重要部分，而行星齒輪組和行星軸又是汽車差速功能的關(guān)鍵核心組件。本文中以某搭載無級變速器緊湊型轎車的低速行駛轉(zhuǎn)彎異響為例，系統(tǒng)闡述了該異響問題的分析排查過程，通過差速器性能臺架實現(xiàn)了異響問題的復(fù)現(xiàn)，結(jié)合故障零部件的解析，提出了差速器異響問題的潛在機理和改進(jìn)措施，并通過行星軸定位裝配方式和加工工藝的優(yōu)化，快速準(zhǔn)確地消除了該異響問題。

隨著市場用戶對汽車NVH 性能的要求越來越高，動力驅(qū)動系統(tǒng)的噪聲水平與異響控制越來越重要。在差速器部件開發(fā)集成初期，可基于差速器性能臺架進(jìn)行模擬整車全工況的振動噪聲試驗測試和驗證，以提升核心傳動零部件開發(fā)與整車性能集成的技術(shù)水平。

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作者簡介

張軍

博士，正高級工程師

吉利汽車研究院

上海交通大學(xué)博士，正高級工程師，現(xiàn)任吉利汽車研究院NVH技術(shù)專家，專注于振動噪聲領(lǐng)域研究與工程實踐20多年。

E-mail：zj_zmkm@126.com

原載于《機械傳動》2022年第9期, 

DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2022. 09. 017

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