汽車(chē)傳動(dòng)軸高頻嘯音NVH問(wèn)題研究與解決

李小北

摘 要：噪聲、振動(dòng)和舒適性，即 NVH（N-noise，V-vibration，H-Harshness），是衡量汽車(chē)制造質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo)，影響著汽車(chē)乘坐舒適性，也成為各大汽車(chē)商家競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)尺，特別是對(duì)于高端乘用車(chē)，顧客對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲要求更是到了苛刻的地步。實(shí)踐證明，汽車(chē)上幾乎所有的子系統(tǒng)都與NVH問(wèn)題緊密聯(lián)系。作者所在的汽車(chē)企業(yè)對(duì)于NVH問(wèn)題尤為關(guān)注，質(zhì)量部門(mén)在日?？己酥袝r(shí)有發(fā)現(xiàn)各類(lèi)噪音，振動(dòng)，舒適性等問(wèn)題，在與德國(guó)同款車(chē)型對(duì)比后，存在共性及中國(guó)獨(dú)有問(wèn)題。如變速箱相關(guān)噪音問(wèn)題多為共性問(wèn)題，傳動(dòng)軸及半軸類(lèi)問(wèn)題多為中國(guó)獨(dú)有問(wèn)題。此類(lèi)問(wèn)題對(duì)車(chē)型的銷(xiāo)售及車(chē)型品牌造成了不良影響，因此必須分析此類(lèi)問(wèn)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(lèi)噪音，徹底解決問(wèn)題。為此，文章系統(tǒng)研究了NVH類(lèi)噪音問(wèn)題發(fā)現(xiàn)及解決機(jī)理，從消除振動(dòng)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(wèn)題，避免了重新設(shè)計(jì)所需要的高成本，并在最短時(shí)間內(nèi)在市場(chǎng)體現(xiàn)，有效改善了客戶(hù)滿(mǎn)意度，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。后文將結(jié)合傳動(dòng)軸高頻嘯音的實(shí)際案例詳細(xì)闡述問(wèn)題解決過(guò)程及優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)軸;頻率;噪音;振動(dòng);汽車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)： U270.1+6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-68-05

Abstract： Noise， vibration， and comfort， namely NVH （N-noise， V-vibration， H-Harshness）， is a comprehensive indicator of the quality of automobile manufacturing， which affects the comfort of automobile rides， and has also become a competition among major automobile manufacturers The ruler， especially for high-end passenger cars， customers have demanding noise requirements. Practice has proved that almost all subsystems in cars are closely related to the NVH problem. The automotive company where the author is located is particularly concerned about NVH issues. The quality department found various noise， vibration， and comfort issues during daily assessment. After comparing with the same models in Germany， there are common issues and unique issues in China. For example， gearbox-related noise problems are mostly common problems， and transmission shaft and axle shaft problems are mostly unique to China. Such problems have adversely affected the sales of vehicle models and vehicle brand. Therefore， it is necessary to analyze the causes of such problems and formulate appropriate measures to eliminate or block such noise as much as possible and solve the problem thoroughly. For this reason， the article systematically studies the NVH noise problem discovery and resolution mechanism. Starting from eliminating the root cause of vibration and noise， the method of vibration isolation and mechanical structure optimization effectively solves the NVH problem and avoids the high cost of redesign ， And reflected in the market in the shortest time， effectively improving customer satisfaction and product quality. The following will elaborate the problem solving process and optimization scheme in combination with the actual case of high frequency howling of the drive shaft.

Keywords： Transmission shaft; Frequency; Noise; Vibration; Automobile

緒論

隨著人們生活水平的不斷提高，噪聲污染問(wèn)題逐漸引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。而交通噪聲污染是影響人類(lèi)生活的噪聲污染之一，汽車(chē)產(chǎn)生的噪聲污染占據(jù)了其中 70%。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)上的動(dòng)力部件，為汽車(chē)提供動(dòng)力的同時(shí)也會(huì)給汽車(chē)帶來(lái)噪聲問(wèn)題，它所帶來(lái)的噪聲問(wèn)題超過(guò)汽車(chē)噪聲的 50%[2]。

從汽車(chē)的發(fā)展來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)功率在汽車(chē)發(fā)展初期處于較低的水平，汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)都在低速條件下運(yùn)行，因此汽車(chē)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題不明顯。隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)朝著高效、舒適的方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與汽車(chē)車(chē)速不斷提高，由此帶來(lái)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題日益凸顯。相關(guān)研究表明，汽車(chē)在行駛過(guò)程中的振動(dòng)與噪聲將會(huì)影響到駕駛員的駕駛行為，從而給汽車(chē)行駛安全帶來(lái)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(chē)。由此可見(jiàn)，汽車(chē)的振動(dòng)與噪聲性能影響到產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。提升這方面的性能將為汽車(chē)帶來(lái)更為廣闊的市場(chǎng)。所以，對(duì)汽車(chē)駕駛艙內(nèi)噪聲和振動(dòng)控制是汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中關(guān)鍵對(duì)象。汽車(chē)的NVH問(wèn)題主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪音振動(dòng)，車(chē)輪與路面接觸振動(dòng)，車(chē)輪胎噪，行駛過(guò)程中風(fēng)噪，電子元器件工作噪音，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)平衡問(wèn)題導(dǎo)致的噪音，各系統(tǒng)關(guān)鍵位置軸承噪音等等類(lèi)型，在汽車(chē)行駛過(guò)程當(dāng)中一直處于工作狀態(tài)各個(gè)系統(tǒng)不同程度的為NVH帶來(lái)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(guò)調(diào)整零部件結(jié)構(gòu)、懸置阻尼或車(chē)身板件剛度等影響振動(dòng)與噪聲傳播途徑的關(guān)鍵參數(shù)， 來(lái)切斷或削弱振動(dòng)與噪聲的傳播途徑，改善汽車(chē)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。

1 NVH問(wèn)題根本原因分析原理

1.1 NVH 具體定義

NVH（噪聲、振動(dòng)、舒適性）是對(duì)于車(chē)輛噪音及振動(dòng)特性的研究。噪音及振動(dòng)可以通過(guò)技術(shù)手段被實(shí)際測(cè)量，而舒適性?xún)H是主觀(guān)評(píng)價(jià)，可以通過(guò)組建多人評(píng)分，取評(píng)分的平均值的方式得出結(jié)果。當(dāng)下各大汽車(chē)研究領(lǐng)域?qū)τ贜VH問(wèn)題投入大量的人力跟物力，已追求更好的整車(chē)NVH狀態(tài)。再次NVH問(wèn)題一般發(fā)生于整車(chē)設(shè)計(jì)結(jié)束之后，如發(fā)現(xiàn)噪音后采取重新設(shè)計(jì)的方法成本及時(shí)間投入過(guò)大， 所以一般解決NVH 問(wèn)題均采用阻斷傳播路徑或抑制噪音等被動(dòng)方式，或采用主動(dòng)降噪方式國(guó)內(nèi)主機(jī)廠(chǎng)均有采用。

1.2 NVH的源頭

NVH 的源頭主要來(lái)源于三大方面：空氣動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)）以及電子電器相關(guān)（如隱藏式倒車(chē)攝像頭翻轉(zhuǎn)電機(jī)噪音）。本文此次研究對(duì)象傳動(dòng)軸高頻噪音，在經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，交叉試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)確定后，最終確定了噪音來(lái)源，文后將詳細(xì)闡 明。

1.3 聲音及振動(dòng)轉(zhuǎn)播途徑

聲音傳動(dòng)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(duì)于汽車(chē)相關(guān)的NVH問(wèn)題大多數(shù)為空氣傳播與固體機(jī)構(gòu)傳播的結(jié)合類(lèi)問(wèn)題。本文此次研究的傳動(dòng)軸高頻噪音主要通過(guò)其與車(chē)身的連接點(diǎn)傳入駕駛艙后，再次傳入人耳。通過(guò)

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(lái)源于車(chē)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(zhǎng)及階次

1.4.1 頻率

頻率 f 是每秒重復(fù)事件（時(shí)間單位）。物理單位為 Hz。用來(lái)衡量聲音的高低。見(jiàn)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

1.4.3 波長(zhǎng)

波長(zhǎng)λ定義為在同一相的 2 點(diǎn)之間最短距離。波長(zhǎng)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(dòng)部件完成一個(gè)循環(huán)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，已 8 缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例， 在 1200rpm 轉(zhuǎn)速下：

以上各參數(shù)均可通過(guò)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量或直接讀取，在噪音分析過(guò)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(dòng)機(jī)車(chē)型為例，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(lì)其他 4 階次，8 階次， 16 階次等噪音，傳動(dòng)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(dòng)軸及差速器輸入周之間無(wú)齒輪傳動(dòng)，僅為撓性或萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)。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）。

2 傳動(dòng)軸高頻噪音的研究

汽車(chē)的噪音（Noise）、振動(dòng)（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）統(tǒng)稱(chēng)為汽車(chē)的 NVH 特性，是衡量汽車(chē)設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量的一個(gè)重要因素[4]。隨著人們環(huán)境、健康意識(shí)的不斷提高，車(chē)輛的舒適度及品質(zhì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，較高噪音和振動(dòng)的車(chē)輛不僅對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生聲污染，同時(shí)也危害駕駛員和乘客的健康。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車(chē)市場(chǎng)上，提高車(chē)輛噪音水平已成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。與此同時(shí)，國(guó)際市場(chǎng)越來(lái)越嚴(yán)格的汽車(chē)噪音標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)輛的準(zhǔn)入設(shè)定了更高的限制。在此背景下，車(chē)輛的 NVH 性能正成為汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中最為重要的性能指標(biāo)，也是用戶(hù)所關(guān)心的整車(chē)性能指標(biāo)之一，汽車(chē)噪音控制水平必將成為汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新的重要高地，與之相關(guān)的分析、測(cè)試及材料技術(shù)等自然成為汽車(chē)工程領(lǐng)域關(guān)注的新焦點(diǎn)。

對(duì)于傳動(dòng)軸高頻嘯音的研究，找出其發(fā)生機(jī)理，解決問(wèn)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(hù)抱怨會(huì)急劇增加，為將問(wèn)題解決在初期階段，本文將深入研究其問(wèn)題產(chǎn)生條件及根本原因，側(cè)重從整車(chē)噪音采集，交叉試驗(yàn)，具體零件噪音分析等過(guò)程詳細(xì)描述噪音解決過(guò)程及給出最終方案。

2.1 傳動(dòng)軸高頻嘯音的產(chǎn)生機(jī)理

傳動(dòng)軸作為主要傳動(dòng)部件，起到連接變速箱及差速器的作用，傳動(dòng)軸一般為兩段式，中間多選用萬(wàn)向節(jié)連接，用軸承配合支架連接到車(chē)身對(duì)中段起到支撐作用。傳動(dòng)軸作為旋轉(zhuǎn)零部件在動(dòng)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(chē)傳動(dòng)軸兩端為橡膠撓性連接對(duì)于降噪起到了更好的作用，為了輕量化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸采用軸管式設(shè)計(jì)，其動(dòng)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(shí)動(dòng)平衡傳動(dòng)軸轟鳴噪音，軸管動(dòng)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(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(lèi)噪音多為跨棒距設(shè)計(jì)不合理，或表面粗糙度不 良，或裝配應(yīng)力提前磨損，或潤(rùn)滑失效所導(dǎo)致。

2.2 傳動(dòng)軸高頻嘯音問(wèn)題初步分析

通過(guò)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(dòng)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(dòng)軸至差速器輸入端，均為撓性連接，即傳動(dòng)系統(tǒng)噪音階次均為36階，無(wú)法區(qū)分出噪音來(lái)源于變速箱或傳動(dòng)軸或差速器，基于測(cè)量結(jié)果該噪音階次與36階不符，且主觀(guān)評(píng)價(jià)該噪音來(lái)源于車(chē)中后部地板下傳至車(chē)內(nèi)，由此判斷，傳動(dòng)軸中間支架處高度疑似噪音發(fā)生源。且該傳動(dòng)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(chē)后噪音消失，高溫狀態(tài)下噪音消失。為驗(yàn)證分析結(jié)果，重復(fù)多次進(jìn)行交叉試驗(yàn)，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(dòng)軸轉(zhuǎn)移。見(jiàn)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(jiàn)圖3。

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)深入分析傳動(dòng)軸高頻噪音來(lái)源

2.3.1 測(cè)試目的及方法

測(cè)試低溫及常溫狀態(tài)下傳動(dòng)軸高頻噪音發(fā)生條件及產(chǎn)生的區(qū)間范圍。被測(cè)試傳動(dòng)軸在低溫保存（-24攝氏度，14小時(shí)）后裝配至試驗(yàn)臺(tái)，從傳動(dòng)軸靜止開(kāi)始記錄，最高到達(dá) 2200rpm，記錄傳動(dòng)軸中間軸承噪音及振動(dòng)。待傳動(dòng)軸溫度與室溫一致時(shí)重復(fù)試驗(yàn)并記錄。主要使用加速度傳感器測(cè)量中間軸承支架振動(dòng)，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(guān)評(píng)價(jià)噪音。具體設(shè)置如下圖4及圖5所示：

2.3.2 測(cè)試條件及結(jié)果具體記錄

測(cè)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：

（1）結(jié)果分析

基于以下圖示結(jié)果，傳動(dòng)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(dòng)軸軸承噪音。在1300rpm至2200rpm及2200rpm 至 0rmp 過(guò)程中噪音尤為明顯。下圖7為負(fù)24攝氏度測(cè)量結(jié)果。

（2）解決方案

通過(guò)試驗(yàn)確定了傳動(dòng)軸中間軸承為噪音來(lái)源，通過(guò)更換低溫潤(rùn)滑特性更好的潤(rùn)滑脂后，經(jīng)過(guò)一些列耐久試驗(yàn)，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(shí)應(yīng)用于其他低溫較低地域。

3 結(jié)論

隨著科技發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，家用乘用車(chē)設(shè)計(jì)對(duì)于顧客的乘坐舒適性越來(lái)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(chē)內(nèi)噪音問(wèn)題，如傳動(dòng)軸高頻嘯聲時(shí)，先期很難直接判斷噪音來(lái)源于傳動(dòng)軸軸承，但是通過(guò)測(cè) 量，交叉試驗(yàn)，可最終確定噪音源來(lái)源于傳動(dòng)軸，為了確認(rèn)下一步傳動(dòng)軸具體發(fā)生噪音的位置及臺(tái)架試驗(yàn)做好鋪墊，該噪音的產(chǎn)生源于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段考慮的條件及工況不足，導(dǎo)致下級(jí)零部件未達(dá)到相關(guān)要求。該噪音雖為偶發(fā)，沒(méi)有必然發(fā)生的可能，但該噪聲會(huì)直接導(dǎo)致客戶(hù)的抱怨，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

本文就潛在客戶(hù)抱怨問(wèn)題，對(duì)傳動(dòng)軸所在傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)于傳動(dòng)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(dòng)軸高頻嘯聲的主要傳播路徑是：傳動(dòng)軸軸承—金屬支架—白車(chē)身—乘員艙。通過(guò)更換傳動(dòng)軸下級(jí)件傳動(dòng)軸中間軸承潤(rùn)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(jì)新的軸承所需成本，并可由下級(jí)零部件供應(yīng)和說(shuō)那個(gè)即可應(yīng)用， 快速是實(shí)在生產(chǎn)和售后中，有效消除了客戶(hù)抱怨，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

基于傳動(dòng)軸中間軸承高頻嘯聲產(chǎn)生的原因由測(cè)試不足導(dǎo)致，在以后的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度條件及下級(jí)零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程，各零部件的選用務(wù)必符合相應(yīng)的測(cè)試條件，方可杜絕此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟蘇北.市交通干線(xiàn)兩側(cè)的交通噪聲污染治理存在的問(wèn)題[J].峽科學(xué)，2007，（4）：56-58.

[2] 馬文敏.淺議公路交通噪聲污染與控制[J].交通科技，2007，（2）：90- 91.

[3] 龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006： 22-30.

[4] 林逸等.汽車(chē)NVH特性研究綜述[J].汽車(chē)工程.2002，（3）：177-186.