某乘用车轮毂轴承异响诊断

汽车科技 / AUTO SCI-TECH

2023年第5期

doi:10.3969/.1005-2550.2023.05.006

收稿日期：

2023-06-09

某乘用车轮毂轴承异响诊断

耿小华，吕岗，张紫广，孙作奎，张企

（岚图汽车科技有限公司，武汉 430056）

摘 要：某乘用车匀速行驶时，车内有明显的嗡嗡声，且声音随着车速变化。使用LMS

数据采集系统对异响问题进行测试，发现车内异响与前转向节振动特征一致。采用Hilbert解

调和包络分析，找到故障信号的基频，因此锁定异响源为前轮毂轴承外圈。对故障轴承进拆

解分析，发现轴承外滚道表面有较深磨损，尺寸分析已严重超出限值。进一步对故障原因进

行调查，发现前轮轴承磨损为整车运输过程中前轮的固定约束不够导致，为轴承异响诊断提

供参考。

关键词：轮毂轴承；异响；Hilbert包络

中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2023）05-0035-04

Abnormal Noise Diagnosis of Hub Bearing of A Passenger Car

GENG Xiao-hua, LV Gang, ZHANG Zi-guang, SUN Zuo-kui, ZHANG Qi

（

Lantu Automobile Technology Co., Ltd., Wuhan 430056, China

）

Abstract:

When a passenger car drives at a constant speed, there is an obvious buzz

sound in the car, and the sound changes with the speed of the vehicle. The abnormal noise

was tested by LMS, it is found that the abnormal noise characteristics is consistent with the

vibration of front wheel hubs. Using Hilbert demodulation and envelope, the first-order

frequency of the fault signal was found, and then the failed part is confirmed, that is the

outer ring of front hub bearings. Then though disassembly the failed bearing, it is found

that the surface of the outer raceway was deeply worn, and dimensional tolerances seriously

exceeded the limit value. By further investigation into the cause of the bearing failure, it is

found that the wear of the front wheel bearing was caused by insufficient fixed constraints

of the front wheel during the transportation of the whole vehicle. It provides a reference for

the diagnosis of bearing abnormal noise.

Key Words:

Hub Bearing; Abnormal Sound; Hilbert Envelope

耿小华

毕业于吉林大学，车身

工程专业，硕士学历，现就职

于岚图汽车科技有限公司，任

动力传动NVH主担，主要从

事动力传动NVH相关工作，

已发表论文《某混合动力车怠

速车内轰鸣控制研究》。

1 前言

轮毂轴承作为汽车承载和行驶的关键零部

件，一旦发生故障，便会产生令人心烦的异响。

轴承故障一般表现为滚动体、内圈、外圈存在局

部不规则损伤，如剥落、点蚀、裂纹等，这种损

伤会产生间断性冲击，从而激起轴承座和其他机

械零件产生高频固有振动，这种高频固有振动由

于其幅值受到脉冲力的调制而表现为复杂的调制

波，调制波的调制频率为轴承故障相对应的故障

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某乘用车轮毂轴承异响诊断

特征频率。业界对于轴承故障分析常用的方法是

采用Hilbert解调和包络

[1]

， 大量的实践经验表明，

Hilbert分析能够将淹没在高频噪声中的较低的故障

基频清晰的凸显出来，从而为诊断轴承故障提供

依据。

大量的工程经验表明，轴承故障可能出现在

生产、装配、运输以及使用的各个环节

[2]

。本文采

用Hilbert包络谱分析，快速定位到故障部件为轴承

外圈，并进一步排查出故障原因为运输车辆时的

车轮约束不足导致，为轴承异响诊断和原因调查

提供参考。

图3 后左转向节（左图）和后右转向节（右图）振动频谱

3 故障信号分析

3.1 Hilbert包络解调原理

Hilbert解调和包络分析是滚动轴承故障分析

的重要工具。基本原理是通过行滤波和解调，对

低频冲击所激起的高频共振波形进行包络检波和

低通滤波，获得一个对应于低频冲击的而又放大

并展宽了的共振解调波

[3]

。Hilbert包络不仅可根据

是否出现某种高频固有振动，来判断轴承是否异

常，且可根据包络信号的频率成份识别出产生故

障的元件，如内圈、外圈，滚动体

[4-5]

。

设

x(t)

的Hilbert变换定义为：

（1）

式中*表示卷积，即

x(t)

的Hilbert变换为

x(t)

与

的卷积。定义解析函数为：

（2）

式中

包络。

，

A(t)

便为

x(t)

信号的

2 问题描述

某乘用车在试验中发现匀速或者加减速行驶

时，车内有明显的嗡嗡声，主观上前排明显大于

后排，且声音跟随车速变化。通过测试异响较为

明显的70km/h匀速工况，发现车内嗡嗡声频率主

要集中在200～600Hz的宽频带，且呈现明显的阶

次特征，如图1所示：

图1 车内噪声频谱

根据异响的频谱的阶次特征，可以判断故障

来自旋转部件，通过测试电机、减速器、转向节

等旋转件的振动，发现仅左右前转向节处的振动

与车内异响特征一致，而后转向节振动没有异响特

征，如图2～3所示。由此可以判断，异响为左右前

轮故障引起，再根据振动频谱中的密集的谐阶次特

征和主观评价，基本确定异响来自轮毂轴承。

3.2 故障信号Hilbert分析

Hilbert分析过程为：先对原始数据进行带通

滤波，然后再进行Hilbert解调，从已调制的高频

信号中解调出原始调制信号，再对调制信号进行

Hilbert包络，最后对包络线进行傅里叶变换，得

到包络谱图，从频谱中可以较为清晰地发现是否

有故障特征频率的存在，从而对轴承的故障进行

诊断。

图2 前左转向节（左图）和前右转向节（右图）振动频谱

图4 时域信号对比

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本案例中选择异响特征比较明显的右转向节

振动信号进行Hilbert包络分析。首先将时域信号进

行滤波，保留故障特征比较明显的100～600Hz的

频率成分，然后对滤波后的信号进行Hilbert解调和

包络，如图4所示。

分别对原始信号和Hilbert包络信号进行FFT计

算，得到如图5的频谱曲线。相比原始信号，Hilbert

包络谱中，可以清楚识别故障信号基频为58Hz。

轴承的滚动体通过故障激起的是周期性冲击，不

是单一的简谐波，因而在频谱图上表现为很多的

谐阶次特征，图5中的2～8倍谐阶次也很突出。

描述

滚动体通过外圈阶次

滚动体自转阶次

计算公式

轮毂轴承的尺寸参数如表2所示：

表2 轮毂轴承参数

参数

轴承节圆直径

滚动体直径

滚动体数

接触角

代号

D

d

Z

α

数值

74.5

15.081

15

38

单位

mm

mm

个

°

根据表1和表2可以计算出轴承各部件的阶次

（跟踪半轴转速），再根据测试工况下的电机平

均转速为5350rpm，减速器速比为10.55，可以计算

出轴承各部件的基频如表3：

表3 轮毂轴承基频

轴承部件

保持架

图5 故障信号频谱分析对比

保持架通过内圈

滚动体通过内圈

滚动体通过外圈

滚动体自转

基频/Hz

3.6

4.5

77.6

58

22.3

3.3 轴承阶次分析

典型的滚动轴承结构如图6所示，图中D是轴

承节径，d是滚动体直径，

α

是接触角，Z是滚动体

个数。不同的部件发生故障时，会产生不同的主

阶次及谐阶次频率，因此若已知故障轴承的主阶

次，就可以找到故障部件。

根据以上轮毂轴承阶次分析，可知转向节振

动的基频与轮毂轴承的滚动体通过外圈的阶次吻

合，因此锁定故障源为轮毂轴承外圈。

4 故障轴承分析

将问题轴承拆解下来进行台架分析，发现轴

承的摆动、跳动和油脂量均无异常，但是转动轴

承存在明显的卡滞现象。进一步对轴承进行部件

拆解，发现轴承的外圈有很明显的磨损痕迹，如

图6 滚动轴承结构示意图

图7，尺寸检查轴承沟道圆度严重超差。

轴承各部件的阶次可以通过以下表1的公式进

行计算。

表1 轮毂轴承阶次计算方法

描述

保持架

保持架通过内圈阶次

滚动体通过内圈阶次

图7 故障轴承外圈滚道磨损痕迹

计算公式

为了调查故障轴承产生的原因，对轴承的生

产、装配、运输等环节进行逐一排查，结果显示

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轴承的生产、装配均符合工艺要求。根据问题描

述和排查结论，故障轴承仅出现在前车轮，而前

后轮毂轴承为同一批次件，生产制造的误差基本

一致，因此排除轴承单件故障的可能性，怀疑整

车上前后轮的运行负荷不同导致。对整车行驶过

程进行跟踪调查发现，问题车均使用板车长途运

输过，且在运输之前并未出现问题。进一步检查

运输过程，发现拖车过程中，车轮没有按照规范

进行固定，仅绑定两个后轮，前轮无固定措施，

如图8所示。在此种运输方式下，当运输车转弯、

制动或者起步时，前轮毂轴承的机械零件之间经

过周而复始的循环微动磨损，在零件表面产生较

深的微动磨损压痕，导致轴承尺寸超差，进而引

发轴承异响。

轴承故障诊断[J]；汽车零件，2022.07.016：74-78.

[2]高攀，孟中利等 某乘用车轮毂轴承异响分析[J]

天津：中国汽车工程学会年会论文集，2020NVH:

87-91.

[3]万鑫，张军 行驶转向中后桥轮毂轴承异响诊

断与分析[J]；上海：中国汽车工程学会年会论文

集，2018NVHC-012:1132-1135.

[4]陈昊，张永祥 基于阶次跟踪的变转速工况轴承

故障诊断方法[J]；轴承，2021年第12期：49-55.

[5]Shufeng Ai. Research on Order Tracking and

Teager-Huang Transform Based Gear Crack Fault

Diagnosis[C]. 2011 Second International Conference

on Mechanic Automation and Control Engineering,

Hohhot, 2011: 6041-6044.

图8 运输车前轮未固定

专家推荐语

陈 赣

东风汽车集团有限公司技术中心先行技术研究部

首席总工程师 研究员级高级工程师

为了规避此类问题，对于所有长途运输车

辆，均要求固定四个车轮，并拉起电子手刹，不

允许固定车身任何位置，最大限度的减少车辆运

输过程中出现的轮毂轴承微动磨损，至此异响问

题未再出现。

5 结论

通过上述轴承异响的分析及排查过程，可以

得出以下结论：

（1）轴承故障的振动和噪声频谱中存在较多

的谐阶次，可以作为轴承问题判断依据。

（2）对轴承故障信号采用Hilbert解调和包

络，可以排除其他信号干扰，分析出轴承故障的

基频，从而快速锁定故障部件。

（3）在整车长途运输过程中，若对车轮的固

定约束不够，会导致轮毂轴承的异常磨损，从而

产生异响。

参考文献：

[1]王益有，胡勇峰 基于Hilbert包络与阶次分析的

此论文针对汽车的一种异响问题，首

先通过一般的频谱分析方法，基本确定发

生异响的部位及对应的零部件。在确定前

轮毂轴承是这种异响噪声的声源后，作者

采用了在行业内普遍采用的对轴承进行分

析的Hilbert包络解调方法。

作者在论文中，对Hilbert变换理论

进行了介绍。根据Hilbert变换及包络解调

原理，对振动噪声信号进行Hilbert包络解

调分析，可以比较准确地对轴承进行故障

检测。作者在论文中对问题车辆的噪声信

号进行了包络解调分析，并结合该车轮毂

轴承的参数，准确地得出轴承外圈是异响

问题的关键零件。对轴承的拆解验证了这

个结果。

此论文对一个车辆异响的解决过程，

具有较强的实践参考意义，可以作为汽车

NVH工程师们的参考案例。

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