驅(qū)動(dòng)橋起步倒車異響分析及解決措施

方強(qiáng)，汪茂根，宋寅，黃高榮

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001)

0 引言

后驅(qū)動(dòng)橋是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，其作用是增大由傳動(dòng)軸傳遞過來的扭矩[1]，將扭矩分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，并使左、右驅(qū)動(dòng)車輪具有汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速功能，其NVH性能一直是行業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)。

本文作者針對(duì)某品牌皮卡車型出現(xiàn)的車輛起步、倒車異響問題，通過對(duì)異響部位結(jié)構(gòu)分析，連接配合狀態(tài)排查，確定異響產(chǎn)生的機(jī)制，并制定改進(jìn)措施，反復(fù)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，解決異響問題，為后續(xù)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)零件開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 故障描述

該品牌皮卡車型在車輛啟動(dòng)后，掛擋前進(jìn)的瞬間，后驅(qū)動(dòng)橋主減速器靠近傳動(dòng)軸附近出現(xiàn)“咯瞪”的一聲或數(shù)聲異響，起步后行駛過程中無此異響。車輛停止，再次啟動(dòng)前進(jìn)，也無異響。但是在車輛掛倒擋起步的瞬間，主減速器靠近傳動(dòng)軸附近再次出現(xiàn)異響，車輛停止后，再次啟動(dòng)倒車，也沒有異響。通過多次測試得出：車輛在一次前進(jìn)、一次倒退間歇啟動(dòng)的瞬間，主減速器靠近傳動(dòng)軸附近會(huì)發(fā)生異響。

2 結(jié)構(gòu)分析及故障排查

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1是異響部位結(jié)構(gòu)圖，外軸承外圈與主減速器殼體過盈配合，內(nèi)圈與主動(dòng)齒輪軸過盈配合，均通過壓裝實(shí)現(xiàn)，凸緣法蘭與主動(dòng)齒輪花鍵配合，凸緣螺母將凸緣法蘭、主動(dòng)齒輪與外軸承固定在一起，整個(gè)裝配在理想狀態(tài)下，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 異響部位結(jié)構(gòu)

2.2 故障排查

通過對(duì)異響部位的結(jié)構(gòu)分析及故障件拆解，異響可能通過2個(gè)位置表現(xiàn)出來：一是凸緣法蘭和主動(dòng)齒輪花鍵配合面；二是凸緣法蘭和外軸承的接觸面。這2個(gè)位置在故障件上均有摩擦痕跡。

在故障主動(dòng)齒輪外花鍵表面涂覆0.03 mm非金屬涂層，重新裝配并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，異響聲依然存在。試驗(yàn)結(jié)束后，拆解

故障件發(fā)現(xiàn)涂層依舊附著在花鍵齒面上，基本排除異響聲來自于花鍵打齒產(chǎn)生的敲擊聲。

在故障件凸緣法蘭與外軸承之間增加尼龍墊片，重新裝配并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，異響聲完全消失。通過多臺(tái)故障車反復(fù)驗(yàn)證，異響聲均完全消失，聲源直接表現(xiàn)存在于凸緣法蘭端面和外軸承的接觸面上。

3 異響產(chǎn)生的機(jī)制及根本原因

由圖1可知，該接觸面通過凸緣螺母的作用緊密貼合，不存在敲擊現(xiàn)象，但是由于凸緣法蘭和主動(dòng)齒輪花鍵配合存在間隙，在車輛起步、倒車等驅(qū)動(dòng)橋承受較大沖擊扭矩的工況，凸緣法蘭端面與外軸承會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，凸緣法蘭與外軸承的配合面由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，從而由摩擦振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。

異響的直接原因是接觸面的相對(duì)滑動(dòng)，但其根本原因可以從多方面考慮。

3.1 主動(dòng)齒輪與凸緣法蘭之間花鍵的配合

文中花鍵配合間隙是0.035～0.128 mm，配合面尺寸約為花鍵尺寸的1.2倍，故配合面相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)量是花鍵配合間隙的1.2倍左右，約為0.042～0.153 6 mm。車輛起步、倒車工況瞬間，主減速器承受的扭矩遠(yuǎn)大于凸緣法蘭與外軸承配合端面的靜摩擦力矩，因此凸緣法蘭和外軸承配合端面之間，在短暫時(shí)間內(nèi)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而產(chǎn)生異響。

以下計(jì)算凸緣法蘭與外軸承接觸面靜摩擦力矩的大小，用于驗(yàn)證接觸面在車輛起步、倒車工況時(shí)是否會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

圖2是凸緣法蘭端面與外軸承配合面的示意，接觸面為圓環(huán)形，將圓環(huán)分割為無數(shù)個(gè)相同微單元，取其中一個(gè)微單元極坐標(biāo)，表示為(ρ，θ)，因此凸緣法蘭與外軸承配合面靜摩擦力矩[2]為

(1)

其中F為凸緣螺母提供的軸向預(yù)緊力

(2)

圖2 配合端面示意

表1為該品牌皮卡車型的設(shè)計(jì)參數(shù)，代入式(1)和式(2)，得到凸緣法蘭與外軸承接觸面靜摩擦力矩T1=129～193 N·m。實(shí)測車輛起步工況從傳動(dòng)軸傳遞到主減速器的扭矩為1 100 N·m，倒擋工況傳遞到主減速器的扭矩為900 N·m。

表1 該品牌皮卡車型設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算可知，整車起步、倒車瞬間，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到后橋主減速的扭矩遠(yuǎn)大于凸緣法蘭與外軸承接觸面之間存在的靜摩擦力矩，此種工況下，凸緣法蘭與外軸承之間存在相對(duì)滑動(dòng)。

3.2 主動(dòng)齒輪扭矩剛度

主動(dòng)齒輪桿部花鍵軸受扭時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，也是凸緣法蘭與外軸承配合面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的原因。

3.3 凸緣法蘭端面與外軸承端面接觸面之間摩擦因數(shù)

摩擦力的高頻波動(dòng)與摩擦噪聲的產(chǎn)生有密切聯(lián)系，摩擦力波動(dòng)頻率與摩擦系統(tǒng)固有頻率耦合誘發(fā)的摩擦系統(tǒng)自激振動(dòng)促使了摩擦噪聲的形成[3-4]，根據(jù)摩擦噪聲產(chǎn)生的機(jī)制，可以通過改善接觸面之間的摩擦因數(shù)來降低摩擦力的波動(dòng)，從而削弱或消除摩擦噪聲。

一般接觸面粗糙度較大時(shí)，表面微觀下的凹凸不平會(huì)使摩擦因數(shù)變大；表面粗糙度過小，則實(shí)際接觸面積變多，面之間的固著力變大，摩擦因數(shù)也會(huì)變大。后者很難通過機(jī)加工方式來實(shí)現(xiàn)，多通過在接觸面上增加油脂、聚四氟乙烯等減摩材料來降低摩擦因數(shù)，從而減小摩擦力，降低摩擦引起的能力消耗。

4 異響解決措施

通過增加花鍵螺旋角，控制花鍵配合間隙,增大主動(dòng)齒輪花鍵軸頸，提高花鍵軸扭轉(zhuǎn)剛度，均可以減少凸緣法蘭與外軸承配合面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是，前者螺旋角不能設(shè)計(jì)過大，否則凸緣法蘭深入主動(dòng)齒輪軸長度短，凸緣螺母很難裝配；后者受限于凸緣內(nèi)花鍵尺寸影響，該尺寸發(fā)生變化，主減速殼尺寸同樣需要重新調(diào)整，此時(shí)調(diào)整涉及的周期長、成本高，不易實(shí)現(xiàn)。

文中凸緣法蘭與外軸承配合端面粗糙度均為1.6 μm，磨削后粗糙度可達(dá)到0.8 μm左右。經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，可減少異響發(fā)生的概率和減輕異響嚴(yán)重程度，但是該方案成本較高，批量實(shí)施性價(jià)比低。

本文作者從降低接觸面摩擦因數(shù)著手，解決異響問題。經(jīng)過大量實(shí)車驗(yàn)證，采用在接觸面之間增加減摩墊片的方式，有效解決了異響問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，產(chǎn)生異響的直接原因是凸緣法蘭與外軸承配合面的相對(duì)滑動(dòng)，但其根本原因與凸緣法蘭和主動(dòng)齒輪花鍵配合間隙、花鍵軸扭轉(zhuǎn)剛度、配合面摩擦因數(shù)、凸緣螺母擰緊力矩等問題相關(guān)。文中介紹的車輛起步、倒擋異響部位的結(jié)構(gòu)形式在汽車領(lǐng)域內(nèi)普遍存在，如前驅(qū)動(dòng)軸與輪轂，后傳動(dòng)軸內(nèi)部也有類似結(jié)構(gòu)。通過對(duì)異響機(jī)制的闡述，可為傳動(dòng)系統(tǒng)零部件開發(fā)提供參考，使得設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期就考慮到類似風(fēng)險(xiǎn)并規(guī)避，提高開發(fā)效率。