某乘用車轉向軸黏滑噪聲的分析及優化

顧佳

蒂森克虜伯普利斯坦汽車零部件(上海)有限公司，上海 201315

0 引言

黏滑摩擦廣泛存在于機械系統中，發生在具有相對運動的接觸面之間，表現為接觸面周期性出現黏滯-滑動的自激振蕩現象[1-2]，引發系統振動噪聲問題。整車系統中具有相對運動摩擦面的結構廣泛存在，Yoon等[3]研究了由制動引起的制動器黏滑現象；張立軍等[4]研究了不同刮刷速度下刮水器的黏滑振動；Li等[5]研究了考慮黏滑摩擦特新的離合器驅動盤自激振動現象；Spencer等[6]對傳動系統中伸縮花鍵的黏滑現象進行了臺架試驗分析，評估了接觸面潤滑劑，花鍵材料，溫度等對黏滑摩擦現象的影響。

管柱電動助力轉向在中小型乘用車中應用占較大比例，其工作原理使得管柱電動助力轉向軸在工作中承受了較大的扭矩[7]。轉向軸在設計中考慮到整車碰撞后的潰縮，吸收路邊顛簸的振動等原因，一般采用可伸縮滑動副設計。實際工作中當大扭矩傳遞到轉向軸處，由于車輛的轉向機剛性有限而導致轉向系點C位置發生微小變化，這樣造成了轉向軸滑動副在一定扭矩的作用下同時出現相對運動，容易誘發黏滑摩擦噪聲現象。

1 問題描述

某乘用車行駛里程為2 000～10 000 km，通電情況在原地向一側打方向盤到任意角度，雙手放開的一瞬間存在急促沉悶“咚”異響。在低速(<25 km/h)行駛過程中，當方向盤換向時，存在相同急促沉悶“咚”異響。本文針對問題車輛進行ABA交換試驗，異響問題無法復現，即只要拆除轉向軸再次裝回原車輛，故障消失且無法再次復現。待故障車再次行駛2 000～10 000 km時，異響重復發生。為精準定位異響源，使用振動噪聲測試設備采集助力電機，轉向軸節叉，內外套管的振動加速度及近場噪聲，如圖1所示。

圖1 振動噪聲測試設備采集點

振動噪聲測試結果如圖2所示，加速度最大發生在點C，也就是內管節叉處。瞬時振動加速度達到1.6g，且振動加速度對應峰值和麥克風捕捉的噪聲相一致。這表明了噪聲源在內管節叉處，從設計上分析，內管節叉只能和外管能發生相對滑動，因此問題基本鎖定為內外管滑動過程中黏滑噪聲問題。

圖2 振動噪聲測試結果

2 轉向軸異響機制分析

2.1 異響原因分析

一般認為在滑動副的花鍵配合區域，油膜被破壞即潤滑效果損壞后的相對運動會造成黏滑噪聲。但拆裝轉向軸必然會大范圍移動滑動副使被破壞的表面油膜重新建立，故拆裝轉向軸后異響短期內無法復現。通過對轉向軸的內外管拆解，對滑動副油脂進行紅外光譜儀(FTIR)檢測發現油脂污染嚴重，基油和增稠劑已經變性。對污染油脂處理后做進一步能量色散X射線光譜儀(EDX)檢測表明，殘留物中有大量微小的(直徑約10 μm)金屬和氧化物混合物。經排查，疑似內花鍵旋鍛成型加工過程中殘留物質(金屬顆粒、金屬氧化物和油脂混合物，每次旋鍛完成零件都會有一定的金屬殘留物混在旋鍛油里面)附著在花鍵表面，而在后續化學清洗過程中未能完全清洗干凈。在對噪聲件內花鍵加工面的電子顯微鏡觀察也印證了這一觀點，如圖3所示。

圖3 電子顯微鏡檢測內花鍵加工面(問題件)

2.2 黏滑摩擦機制分析

摩擦系統有4個部分組成，分別是一對摩擦副、潤滑介質和環境。相對應轉向軸摩擦系統：摩擦副是外管內花鍵和內管塑料襯套，油脂起到摩擦過程中潤滑作用，外界環境主要是溫度和濕度。黏滑現象，也被稱為滑黏現象或者簡稱為黏滑，是發生在兩個相互滑動物體間的一種自激跳躍運動。摩擦副之間的黏滑可以描述為表面相互粘連和相互滑動之間的交替，摩擦力也會發生相應的變化[8]。黏滑和速度、摩擦副材料性質、受力情況、工作溫度、表面潤滑情況等多種因素相關。摩擦副相互接觸發生相對運動時，需要克服摩擦副表面粗糙峰的不平整(彈性或塑性)。這就導致出現摩擦力的波動，當波動足夠劇烈時(摩擦力是速度、摩擦副材料屬性、載荷的函數)就產生持續的黏滑現象。

用簡單的物理模型表示：當物體受到驅動力FN作用時，物體在沒有運動之前(瞬間)，受到阻力靜摩擦力fs作用，即FN-Fs>0，此時產生加速度a1。之后，由于受力的不平衡，物體開始運動，靜摩擦力轉換為動摩擦力，且動摩擦力小于靜摩擦力，此時產生加速度a2。即FN-fd>0且fs>fd，所以a2>a1。 在動靜轉換的一瞬間，由于a2>a1，加速度的變化造成沖擊振動，沖擊振動會產生噪聲，當這個過程反復出現的時候(靜止和運動反復出現)，就是產生黏滑和持續的噪聲。同理，當這個沖擊振動大的時候噪聲也就大，而沖擊振動是由動靜摩擦力的差值決定的，所以當動靜摩擦力差值大的時候，產生的噪聲也就大。進一步將此模型轉化為質量-彈簧機械系統的單自由度力學模型[9]，如圖4所示。將接觸面粗糙峰直接的接觸簡化為并聯的彈性部件和阻尼部件。將整個接觸面所有的粗糙峰之間的接觸整合成一個大的并聯的彈性部件和阻尼部件。

圖4 質量-彈簧機械系統的單自由度力學模型

對圖4所示的模型進行受力分析，可以得到如下微分方程：

(1)

式中：k為彈性系數；kx為彈性效應項(與運動方向相反取負值)；c為阻尼系數；cv為阻尼效應項，阻尼大小與速度正相關(與運動方向相反取負值)；f(v)為摩擦力，f=Fs-vλ；F為驅動力，默認F>Fs>0；v為速度，v>0，且在很短的時間內服從該方程。

使用Python軟件中from scipy.integrate import odeint模塊進行數值求解。給出如下假設Fs=10，F=15，c=5，k=5，v0=0.3，并且λ分別選取4.9，5.0，5.1，得到力學模型數值求解結果，如圖5所示。

圖5 力學模型數值求解結果

由圖5可以看到，當給物體初速度時，λ=5.0物體會一直做簡諧振動；當λ= 5.1時，物體的振動會越來越劇烈；當λ=4.9時，振動會因為阻尼的影響逐漸停止。

f=Fs-λv

(2)

其中λ為速度系數，表示速度減小和摩擦力減小的關系。也就是說，λ值越大，動靜摩擦力的差值越大。這就表明動靜摩擦因數差值越大，發生黏滑和噪聲的趨勢越大。

(3)

由公式(3)可以看到，c-λ的值是影響振動是否出現衰減的關鍵因素。當c-λ>0時，代表阻尼作用的c大于代表動靜摩擦力差值的λ，振動會被吸收；當c-λ<0時，代表阻尼作用的c小于動靜摩擦力差值的λ，振動會越來越不穩定。所以增加阻尼系數可使系統更好地吸收振動，防止黏滑和噪聲產生的關鍵因素[9]。而潤滑油膜是直接影響到阻尼系數的關鍵因素之一。

3 工藝優化方案

通過對問題件的拆解分析表明，外管內花鍵的殘留物是油混合物和金屬殘留物?？煞殖蓛深悾阂活愂怯袡C物，如長鏈礦物油、旋鍛油和空氣反應的氧化物、PTFE油脂；另一類是無機物，如旋鍛產生的金屬粉末、機加工產生的金屬碎片。堿性清洗劑配合超聲波清洗，可以將有機殘留物從加工表面松脫，清洗劑將其帶到表面，漂浮在浴槽中被過濾器撇去，這是一個物理轉換。而無機殘留物在旋鍛過程中被壓制到表面，最終形成一種“金屬糊”，清除它必須使用酸性清洗劑。酸性清洗劑能溶解固體，能有效溶解“金屬糊”，這是一個化學轉換。超聲波清洗流程如圖6所示。經過超聲波清洗的外管內花鍵拆解后對旋鍛加工面分別進行FTIR(紅外光譜儀)檢測和EDX(能量色散X射線光譜儀)檢測，均未發現有機污染物和無機金屬污染物。對加工面電鏡進行掃描檢測，如圖7所示。由圖可知，內花鍵旋鍛加工表面已無污染。

圖6 超聲波清洗流程

圖7 電子顯微鏡檢測內花鍵加工面(超聲波清洗件)示意

4 模擬臺架試驗設計

針對轉向軸黏滑噪聲在整車上的表現為一定里程后出現且一旦拆卸在短期內無法再次復現的特點，為了驗證轉向軸改進方案的有效性和高效性，必須在線下臺架上模擬出整車對轉向軸的綜合工況，并且能夠復現轉向軸黏滑噪聲。第一步是整車綜合路況路試的數據采集，在路試過程中需要采集相關參數有：轉向軸扭矩、轉向軸滑動副伸縮距離、伸縮頻率、循環時間和轉向軸工作溫度。經過對路試采集數據的匯總和分析，對轉向軸工作最有代表性的是比利時路段和側放停車路段。

圖8為比利時路段轉向軸的伸縮距離和伸縮頻率。圖9為比利時路段電機輸出力矩和駕駛員手力矩，由圖可知，最大電機輸出力矩為0.7 N·m，最大駕駛員手力矩為3.2 N·m。

圖8 比利時路段轉向軸的伸縮距離和伸縮頻率

圖9 比利時路段電機輸出力矩和駕駛員手力矩

根據蝸輪蝸桿的放大比例以及傳動效率和轉向軸的傳動效率，可以計算出轉向軸的工作扭矩為15.8 N·m。同時測得比利時路轉向軸最高溫度為31.6 ℃。側放停車路段轉向軸的伸縮距離和伸縮頻率可以使用同樣方法獲得，如圖10所示。通過測試可知，轉向軸的工作扭矩約為40 N·m(排除方向盤打到接近極限位置的區域)，如圖11所示。

圖10 側放停車路段轉向軸的伸縮距離和伸縮頻率

圖11 側放停車路段轉向軸扭矩

根據采集的路譜，整理歸納得出黏滑噪聲模擬試驗臺架參數見表1，整個試驗步序1+2需完成562次循環。經試驗驗證在轉向軸經過100個循環左右，試驗臺架進入到模擬側放停車工況時，轉向軸每一次伸縮，即能清晰地聽到急促沉悶“咚”異響，同時接觸轉向軸能明顯感受到隨異響的振動。當拆卸轉向軸再次安裝后，啟動試驗臺架異響消失，經過100循環左右后異響再次發生，完全與整車的轉向軸噪聲特征相吻合。

5 方案有效性驗證

5.1 模擬臺架試驗

對經過超聲波工藝清洗過的轉向軸進行模擬臺架試驗驗證。為了清楚地對比清洗前后的效果，試驗安排了3組：組1為確認的轉向軸噪聲抱怨件(無清洗)；組2為通過整車路試耐久后轉向軸無噪聲抱怨件(化學清洗)；組3為超聲波清洗后轉向軸。3組零件上試驗臺架，按照之前擬定的模擬工況經行試驗，為進一步獲得客觀的可評價數據，試驗中在轉向軸滑動副貼上加速度傳感器，在離滑動副5 mm處安置麥克風，捕捉黏滑噪聲。

通過振動加速度傳感器與麥克風信號對比發現：當加速度不大于0.9g時，麥克風信號沒有異響；當加速度在1.6～0.9g時，麥克風信號有輕微異響；當加速度大于1.6g時，麥克風信號有明顯異響。3組模擬臺架試驗結果見表2。試驗結果表明：組1在模擬實驗15%進程后開始發出異響，30%進程后異響明顯且不斷加大；組2在30%進程中開始發出異響，60%進程后異響明顯且不斷加大但異響始終好于組1；組3直至進程60%都無異響，在進程90%有一件輕微異響?？v觀3組樣件，明顯組3的噪聲表現最為優異，從而驗證了超聲波清洗對消除轉向軸黏滑噪聲的有效性。

表2 3組模擬臺架試驗結果

5.2 整車路試試驗

整車路試試驗是整車開發流程中必不可少的驗證環節，它能最有效、全面、真實地驗證產品是否在整個設計壽命內滿足絕大多數的使用工況。

本文通過對不同車輛進行超聲波清洗轉向軸路試試驗，超聲波清洗轉向軸路試匯總見表3。由表可以看出，超聲波清洗轉向軸在客戶的路試端全部通過考核，并且測試結果顯示均無噪聲，即無一例抱怨轉向軸噪聲。這也驗證了本文的改善方案是可行的，有效解決了轉向軸黏滑噪聲問題。

表3 超聲波清洗轉向軸路試匯總

5.3 售后市場統計

一般整車廠通過 IPTV(incidents per thousand vehicles)來統計車輛各個零部件的質量情況。整車廠對于IPTV的要求一般是小于0.5。這里展示了兩款車型在切換超聲波清洗轉向軸前后的IPTV 統計，如圖12所示。結果表明兩款車12個月的IPTV分別從200和150降到了幾乎為零。所以從售后市場上的數據反饋來看，改善是相當成功的，徹底解決了轉向軸黏滑噪聲問題。

圖12 兩款車型IPTV統計

6 結束語

本文針對某乘用車管柱電動助力轉向軸黏滑噪聲問題，使用了NVH測量鎖定噪聲源，通過理論研究和拆解分析檢測發現油膜破壞是造成轉向軸黏滑噪聲的原因。增加超聲波清洗工藝對旋鍛外管內花鍵進行清洗，可以去除加工殘留的有機物和無機物。同時又對整車路試數據采集制定了模擬臺架試驗參數。最后對工藝優化后的轉向軸進行臺架模擬和整車路試的驗證，確認了有效性。在工藝優化后轉向軸批量生產后收集了市場的售后數據，數據再次表明改善后的轉向軸徹底消除了黏滯噪聲的問題。