純電動汽車轉(zhuǎn)彎行駛差速器異響測試分析及優(yōu)化

純電動汽車轉(zhuǎn)彎行駛差速器異響測試分析及優(yōu)化摘要：差速器是純電動汽車傳動系統(tǒng)的重要傳動部件之一，其性能好壞直接影響著車輛轉(zhuǎn)彎行駛的功能性和舒適性。首先系統(tǒng)介紹某純電動汽車低速轉(zhuǎn)向異響的測試分析過程，通過整車與電驅(qū)動系統(tǒng)臺架的排查等方法，查找出異響發(fā)生的原因。接著基于差速器設(shè)計方法和表面潤滑摩擦原理，探討差速器異響問題的潛在機(jī)理，并提出工程控制的措施方案。最后通過對半軸齒輪墊片表面處理工藝的改進(jìn)，完全地消除整車轉(zhuǎn)彎過程的異響問題。這對于純電動汽車差速器NVH性能的工程開發(fā)具有一定的參考指導(dǎo)意義。AnalysisandOptimizationofDifferentialAbnormalNoiseTestforElectricVehiclesinLowSpeedSteeringConditionAbstract:Differentialisoneofimportanttransmissioncomponentsofthetransmissionsystemsofpureelectricpassengervehicles.ItsNVHperformancedirectlyinfluencesthefunctionandcomfortofthevehiclesinlowspeedsteeringcondition.Thispapersystematicallyexpoundsthetestandanalysisprocessofabnormalnoiseofapureelectriccarinlowspeedsteeringcondition.Accordingtothecorrelationcomparisonbetweenthefullvehicleandthedrivetrainsubsystemplatform,itisfoundthatthedifferentialassemblyisthesourceofabnormalnoise.Then,basedonthelubricationtribologytheoryandinterfacemechanics,thispaperdiscussesthepotentialmechanismoftheabnormalnoise,andprovidesthespecificengineeringcountermeasure.Finally,theelectricvehiclesteeringabnormalnoiseiscompletelyeliminatedbyusingthemanganesephosphatecoatingprocessontheaxlegeargasket.ThispaperhassomeguidingsignificanceandengineeringreferencetotheNVHperformancedevelopmentforpureelectricvehicledifferentialassembly.Keywords:acoustics;electricvehicle;differential;abnormalnoise;axleshaftgeargasket;boundarylubrication;phosphating近年來，對于純電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)NVH性能開發(fā)的研究工作主要集中于電機(jī)的電磁嘯叫、減速器的齒輪嘯叫與敲擊，以及功率器件的高頻噪聲等領(lǐng)域。差速器作為電驅(qū)傳動系統(tǒng)的重要組成部件之一，能夠保證汽車轉(zhuǎn)彎過程的內(nèi)/外輪速度差與動力扭矩的傳遞，直接影響著車輛行駛的功能可靠性和舒適性。而差速器異常噪聲問題往往是電驅(qū)動系統(tǒng)功能失效和異常磨損的前期征兆[1－5]，隨著當(dāng)前市場用戶對車輛質(zhì)量水平和NVH性能的要求越來越高，對于純電動汽車差速器運(yùn)行噪聲水平控制和先期故障模式識別的研究工作就顯得尤為重要。封旗旗等[6]采用了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[7]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。Wei等[8]研究了差速器徑向溝槽墊片的摩擦特性。Wojciechowski等[9]研究了動力傳動零部件的表面形貌和潤濕性對磨損性能的影響。萬軼等[10]論述了激光表面織構(gòu)化技術(shù)改善摩擦性能的研究進(jìn)展。Ming等[11]把納米石墨作為添加劑，改善鈦基復(fù)合潤滑脂的摩擦性能。本文介紹了某純電動汽車低速轉(zhuǎn)向異響的測試分析過程，探討了差速器異響問題的潛在機(jī)理，提出了工程解決的措施方案。并且，通過半軸齒輪墊片上表面處理工藝的改進(jìn)，消除了整車的轉(zhuǎn)向異響，這對于提升純電動汽車NVH性能水平的提升有著一定的借鑒參考價值。某搭載“三合一”集成式電驅(qū)總成的橫置前驅(qū)緊湊型純電動轎車（電驅(qū)傳動系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示在大角度的低速加速轉(zhuǎn)向行駛過程中，前機(jī)艙內(nèi)存并且，在左/右兩側(cè)的轉(zhuǎn)向工況也都存在該異常噪聲，而車輛直行時則異響消失。由于低速轉(zhuǎn)彎行駛時的車內(nèi)背景噪聲較低，這種低沉的異響聲就容易被車內(nèi)的駕乘人員感知和抱怨。此外，車輛經(jīng)過持續(xù)地磨合行駛之后，該異響發(fā)生幾率有一定的降低。圖1電驅(qū)傳動系統(tǒng)架構(gòu)的示意圖1.1整車測試方案借助便攜式多通道的電子聽音設(shè)備，可以大致判斷此異響發(fā)在差速器的輸出端。為了繼續(xù)排查該車型轉(zhuǎn)彎異響問題特征和異響源位置，在差速器輸出接口布置加速度振動傳感器，分別在前機(jī)艙和車內(nèi)布置麥克風(fēng)，如圖2所示。同時，通過CAN總線同步采集車速、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩等信息。(a)車內(nèi)麥克風(fēng)(b)機(jī)艙內(nèi)麥克風(fēng)(c)差速器振動傳感器圖2整車測試的傳感器布置在綜合性能試驗場的光滑路面上，車輛在D檔下穩(wěn)定地轉(zhuǎn)彎行駛，如圖3所示，車速保持在20km/h以內(nèi)，進(jìn)行多次的重復(fù)試驗，采集各信道的信息。1.2整車測試結(jié)果的分析通過對差速器振動噪聲信號的時頻譜分析和音圖3整車測試行駛的示意圖頻數(shù)據(jù)的反復(fù)回放，并結(jié)合主客觀評價的對比辨識，可以發(fā)現(xiàn)車內(nèi)與前機(jī)艙內(nèi)的異常噪聲特征主要表現(xiàn)均在250Hz～275Hz的較寬頻帶，且無明顯的階次特征，如圖4所示。圖4車內(nèi)與機(jī)艙內(nèi)麥克風(fēng)的時頻譜測試對比如圖5所示，根據(jù)差速器振動、車速和電機(jī)輸出扭矩的同步測試結(jié)果對比，可以得出：(1)轉(zhuǎn)彎過程的異常噪聲與差速器輸出端的殼體振動特征相吻合；圖5差速器輸出端振動信號的時頻域同步分析(2)車輛在大角度的定圓轉(zhuǎn)彎行駛下，異常振動特征發(fā)生在車速22km/h以下的加速過程中，與車速存在一定相關(guān)性，而與電機(jī)輸出扭矩的關(guān)聯(lián)性不大；(3)差速器輸出端的異常振動沒有明顯的共振特征和階次特征，基本可以排除電驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)嘯叫、減速器的嚙合齒輪嘯叫、傳動系統(tǒng)的敲擊，以及軸承故障等因素；(4)在車輛從靜止到轉(zhuǎn)彎行駛的多次測試過程中，異響特征存在著偏差，這可能與車輛行駛狀態(tài)、實(shí)時轉(zhuǎn)向角度與工作溫度等因素有關(guān)，涉及差速器潤滑性能的熱效應(yīng)、表面形貌和流變效應(yīng)等。1.3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差速器存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此搭建了電驅(qū)動總成性能試驗臺架，如圖6所示。按照實(shí)車的安裝狀態(tài)，電驅(qū)動總成系統(tǒng)通過整車懸置安裝在試驗臺架上；左/右驅(qū)動軸夾角與整車布置保持一致，并分別連接到兩側(cè)的測功機(jī)；提取整車轉(zhuǎn)彎測試工況的電機(jī)輸出扭矩和半軸輸出轉(zhuǎn)速，作為試驗臺架施加的模擬載荷。同時，在差速器輸出端位置布置加速度傳感器，進(jìn)行異響問題的排查分析與測試。圖6電驅(qū)動系統(tǒng)差速性能試驗臺架將實(shí)車轉(zhuǎn)彎工況存在異響的電驅(qū)動總成拆卸下來，再安裝在電驅(qū)動總成性能試驗臺架之上，進(jìn)行對比試驗驗證，試驗現(xiàn)場可以復(fù)現(xiàn)出異響問題。同時，差速器輸出端位置的異常振動特征與整車的測試結(jié)果相吻合，如圖7所示。并且，與整車的測試情況相比，由于存在兩側(cè)測功機(jī)的載荷干擾，電驅(qū)動臺架的差速器振動通道信噪比有一定的降低。盡管如此，臺架測試也進(jìn)一步地驗證了整車轉(zhuǎn)彎異響與差速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的推斷。圖7基于電驅(qū)動總成臺架的差速器振動時頻譜測試2差速器內(nèi)摩擦力矩的激勵載荷分析如圖8所示，該純電動汽車減速器系統(tǒng)搭載的是已廣泛應(yīng)用的對稱式圓錐齒輪開式差速器，包括片等零部件。其中，半軸齒輪背面采用了較大曲率1.推力軸承2.主減螺栓3.主減齒輪4.半軸齒輪墊片5.半軸齒輪6.行星齒輪7.行星齒輪墊片8.一字行星軸9.固定銷10.差速器殼體圖8減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的球面結(jié)構(gòu)形式，這涉及差速器的錐齒輪節(jié)錐距設(shè)計和承載能力。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，行星齒輪軸通過定位銷固定在差速器殼體之間。車輛直行時，行星齒輪無自轉(zhuǎn)運(yùn)動，只存在公轉(zhuǎn)，并驅(qū)動兩個半軸齒輪同速同向地轉(zhuǎn)動。當(dāng)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Mr將引起兩個行星齒輪方向相反的自轉(zhuǎn)運(yùn)動ω3，以抵消車輪之間的轉(zhuǎn)彎附加力矩，如圖9所示。圖9轉(zhuǎn)彎工況差速器零部件運(yùn)動的示意圖因此，根據(jù)差速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和齒輪傳動運(yùn)動(1)當(dāng)車輛直行時，兩側(cè)半軸扭矩M1和M2與減速器經(jīng)差速器殼體傳遞的扭矩M0相等，即M1=M2=M0；(2)當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎行駛時，內(nèi)側(cè)車輪半軸的扭矩M2將降低，外側(cè)車輪半軸的扭矩M1則增加，根據(jù)轉(zhuǎn)矩分配特性及平衡原則，可通過公式(1)分別計算出：EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up12(/),/)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up12(2),2)差速器內(nèi)摩擦力矩Mr主要由三部分組成，分別為：(1)行星齒輪與差速器殼體、行星齒輪軸之間，相對地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力矩Msp，其轉(zhuǎn)矩方向與行星齒輪自轉(zhuǎn)方向相反；(2)行星齒輪與行星齒輪軸之間，相對滑動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力矩Mbp；(3)rdμsdrdrdMsd2=μsdrd的安裝孔半徑rk，球面半徑為rs，背球面半徑為軸齒輪的節(jié)圓半徑為rd，μsp為行星齒輪與差速器殼體之間的摩擦系數(shù)，μsd為半軸齒輪與差速器殼體之間的摩擦系數(shù)。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)對存在轉(zhuǎn)彎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；半軸齒輪與行星齒輪的嚙合表面沒有發(fā)現(xiàn)撞擊痕跡或異常磨損；行星齒輪與行星軸、差速器殼體的配合界面沒有異常磨痕。雖然殼體的徑向?qū)в徒Y(jié)構(gòu)可以提高工作潤滑性能，但是半軸齒輪背面與球磨鑄鐵差速器內(nèi)側(cè)殼體之間存在不均勻的磨痕，以及云霧狀斑塊和明顯的接觸邊界，如圖10所示。因此，推測安裝在半軸齒輪與差速器之間的球面墊片可能是導(dǎo)致整車轉(zhuǎn)彎異響問題的潛在原因之一。3.2差速器轉(zhuǎn)彎異響的潛在原因分析基于整車和電驅(qū)動系統(tǒng)臺架的試驗測試與排查分析，以及對故障零部件差速器的解析情況，初步推測差速器半軸墊片的摩擦性能可能是該車型轉(zhuǎn)彎異響的潛在原因。在車輛的大角度轉(zhuǎn)彎過程中，行星齒輪圍繞行星軸轉(zhuǎn)動，通過與半軸齒輪的嚙合，實(shí)現(xiàn)對兩側(cè)車輪的差速驅(qū)動，保證車輛平穩(wěn)地過彎行駛。在行星錐齒輪與半軸錐齒輪的扭矩傳遞過程中，錐齒輪副之間的切向力可以分成軸向力和徑向力，其中的軸向力將直接通過墊片傳遞到差速器殼體的定位平面，形成正壓力，并分別產(chǎn)生行星/半軸齒輪與差速器殼體之間的運(yùn)動摩擦副。在半軸齒輪、墊片和差速器之間摩擦副表面間隙逐步減小的過程中，如果潤滑油液分布不均勻或者油膜動態(tài)壓力穩(wěn)定性降低，潤滑油膜發(fā)生破裂，摩擦副表面潤滑狀態(tài)將由混合潤滑轉(zhuǎn)化為邊界潤滑，金屬表面之間發(fā)生相互的接觸，導(dǎo)致運(yùn)動表面摩擦系數(shù)的波動，產(chǎn)生粘滑現(xiàn)象，從而引起自激勵振動噪聲問題，并通過驅(qū)動半軸圖10異響差速器的零部件解析對于邊界潤滑工況，通常潤滑油膜厚度小于摩擦工作表面的輪廓高度，其摩擦性能與摩擦表面的形貌特征、摩擦界面的物理化學(xué)特性、潤滑油、邊界膜性質(zhì)、摩擦副的機(jī)械性能等多種因素相關(guān)[12]，如圖11和圖12所示。圖11受限流體潤滑模式的摩擦特性示意圖其中，h為潤滑油膜厚度，Ra為摩擦表面粗糙度的輪廓高度統(tǒng)計特征值，N為法向載荷，v為切向運(yùn)動的相對速度。因此，對于這種摩擦引起的自激振動噪聲問題，通常包括三個要素：系統(tǒng)能量的持續(xù)輸入、振動體和圖12邊界摩擦模式的微觀界度示意圖非線性因子。其中，在大角度轉(zhuǎn)彎過程中，差速器的內(nèi)摩擦力矩為振動能量輸入源；齒輪與差速器內(nèi)側(cè)定位面的摩擦特性就是自激勵系統(tǒng)的非線性因子，這主要取決于墊片材質(zhì)性能與結(jié)構(gòu)形式、接觸表面特征、界面間隙、潤滑條件、載荷力矩和工作溫度等因素[14－15]。3.3差速器轉(zhuǎn)彎異響的工程控制思路根據(jù)以上差速器異響的潛在原因分析，工程上可以從以下幾個方面改善或解決整車轉(zhuǎn)彎的異響問題：(1)在該對稱式錐齒輪差速器的前期設(shè)計選型中，適當(dāng)降低鎖緊系數(shù)，減小差速器的內(nèi)摩擦力矩，但這會降低差速器的綜合性能；(2)提升潤滑油在低溫和高負(fù)荷下的摩擦性能，降低油品黏度，但這涉及電驅(qū)動總成潤滑系統(tǒng)的重新開發(fā)與試驗驗證；(3)在潤滑油中增加特殊的添加劑，在摩擦表面的潤滑不充分條件下，通過添加劑的物理化學(xué)作用，在摩擦表面上形成邊界膜而減少摩擦激勵；(4)在大轉(zhuǎn)角和高負(fù)荷差速工況下，對半軸齒輪的球面墊片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮墊片表面彈性變形對摩擦性能的影響；(5)提升差速器內(nèi)摩擦副的工作表面粗糙度等(6)優(yōu)化設(shè)計差速器內(nèi)摩擦副的潤滑油通道，比如在半軸齒輪的齒間加工出徑向油孔通道、在半軸齒輪背面和差速器定位面增加徑向的導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)、采用儲油結(jié)構(gòu)設(shè)計的半軸齒輪墊片等；(7)通過金屬材料的表面處理工藝，改善表面形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，減小摩擦系數(shù)，消除界面粘滑過程的振動激勵，同時可以提升耐磨可靠性，比如表面增加聚四氟乙烯涂層或精細(xì)磷化處理等；(8)通過在驅(qū)動半軸增加動態(tài)吸振器等措施，降(9)提升前機(jī)艙的隔吸聲性能水平等。目前，市場對純電動汽車NVH性能的要求越來越高。在電驅(qū)動減速器研發(fā)的初期，建議基于零部件系統(tǒng)試驗臺架全面開展差速器墊片相關(guān)的噪聲性能評價與測試，以避免電驅(qū)動系統(tǒng)搭載整車之后的噪聲問題整改?？紤]到差速器墊片摩擦特性和表面形貌的設(shè)計開發(fā)，優(yōu)先推薦采用磷化涂層處理工藝。其次，可以考慮采用墊片表面形貌的儲油特性設(shè)計方案時，需要關(guān)注可靠耐久性的驗證，以及對潤滑油的磨屑污染。此外，可以通過改善墊片的進(jìn)油性能，建議在差速器內(nèi)側(cè)殼體增加導(dǎo)油結(jié)構(gòu)。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、不能影響可靠耐久的綜合性能、不重新調(diào)整差速器齒輪嚙合側(cè)隙等前提下，以及考慮到成本和后期整改的工程可行性等因素，本文采用的是對65Mn材質(zhì)的半軸齒輪墊片表面處理工藝改進(jìn)的方案，試圖能夠快速有效地解決車輛轉(zhuǎn)彎的差速器異響問題。其具體措施方案為將原來的半軸齒輪墊片軟氮化處理方式，更改為磷化處理方式，并通過改進(jìn)磷化配方與工藝，在墊片表面生成超微細(xì)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層。由于磷酸錳化表面處理工藝是金屬表面與磷酸鹽溶液之間的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，通過置換反應(yīng)而沉積出混合磷酸鹽氧化膜。如圖13所示，其表面微觀形貌具有不連續(xù)性和多孔隙特征，有利于吸附油膜的形成，增加儲油能力，能夠降低欠邊界和混合潤滑工況的摩擦系數(shù)，顯著改善摩擦界面的粘滑性能，并提升耐磨性(a)磷酸錳表面處理的墊片(b)磷酸錳表面處理的微觀形貌圖13磷酸錳表面處理后的半軸齒輪墊片首先，基于電驅(qū)動系統(tǒng)的差速性能臺架，進(jìn)行了半軸齒輪墊片工藝改進(jìn)方案的試驗驗證，主觀上已經(jīng)感知不到差速器的異響。然后，再在整車上進(jìn)行了優(yōu)化方案的換裝對比驗證，如圖14和圖15所示，此純電動車型在大角度低速轉(zhuǎn)彎工況的異常噪聲消失了，差速器輸出端伴隨的異常振動特征也消失了，車輛的駕駛品質(zhì)明顯提升。在純電動汽車低速行駛下的小油門加速轉(zhuǎn)彎過程中，由于路噪和風(fēng)噪都較小，并且沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)噪聲的掩蓋，任何輕微的異常噪聲都容易讓用戶產(chǎn)生不安全感和抱怨，影響駕駛品質(zhì)。而對于這種轉(zhuǎn)彎行駛工況的非典型NVH問題，汽車行業(yè)內(nèi)還圖14優(yōu)化前/后的差速器近場噪聲試驗對比圖15優(yōu)化前/后的差速器輸出端振動試驗對比缺乏系統(tǒng)性的分析研究。本文系統(tǒng)性地闡述了某純電車低速轉(zhuǎn)向異響的測試分析過程，通過整車與電驅(qū)動系統(tǒng)臺架的相關(guān)性對比排查，查找出電驅(qū)動總成差速器是異響源。同時，基于差速器設(shè)計方法和表面潤滑摩擦原理，本文探討了差速器異響問題的潛在機(jī)理，并以此提出了具體的工程控制措施與方案。本文通過在半軸齒輪墊片上采用磷酸錳涂層工藝處理方法，完全地消除了轉(zhuǎn)向異響，實(shí)車測試也驗證了改進(jìn)方案的有效性。這對于純電動汽車差速器NVH性能的工程開發(fā)，具有一定的參考指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：[1]陳煜，張軍，陳豐土，等.電驅(qū)總成轉(zhuǎn)向引起的差速器異[2]XINWAN,JUNZHANG,XUZHONGMING,etal.Faultidentificationmethodofrearaxlebearingunderlateraldynamicloadofvehicle[C]//SAECCE,2018:749-763.[3]宋開勛.軸間差速器十字軸的疲勞斷裂分析與改進(jìn)[J].[4]黃祖思，麥承賢，梁甲，等.差速器軸承內(nèi)圈壓裝異響的[5]易勇，劉志浩，姜文義，等.差速器耐久性規(guī)范與異響失[6]封旗旗，王陶，王良，等.基于多目標(biāo)優(yōu)化的差速器齒輪[7]劉宏，范春利，李浩亮.雙金屬墊片在驅(qū)動橋差速器中的應(yīng)用及參數(shù)設(shè)計研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018(20)：156-158.[8]WEIYUAN,GUANGNENGDONG,QIANJIANGUO,etc.Tribologicalperformanceofdifferentialgearend-faceslidingonwasherwitharadialgroove[J].EngineeringFailureAnalysis,2018,85:126-136.[9]LWOJCIECHOWSKI,KJKUBIAK,TGMATHIA.Roughnessandwettabilityofsurfacesinboundarylubricatedscuffingwear[J].TribologyInternational,2016,93:593-601.[10]萬軼，熊黨生.激光表面織構(gòu)化改善摩擦學(xué)性能的研究[11]MINGNIU,JIANJUNQU.Tribologicalpropertiesofnano-graphiteasanadditiveinmixedoil-basedtitaniumcomplexgrease[J].DiamondandRelatedMaterials,2015,54:97-102.[12]張利鵬，祁炳楠.對稱式行星齒輪差速器的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速分配特性研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012(9)：138-140.[13]周新建，于孟，查小凈，等.差速器齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及[14]SHIANGAO,SUTTHINANSRIRATTAYAWONG.CFDpredictionoftheeffectsofsurfaceroughnessonelastohydrodynamiclubricationunderrolling/slidingcondition