某越野車輪邊減速器噪聲振動(dòng)性能研究與改進(jìn)

徐康，程華國(guó)，李俊，占銳，聶麗洋

(國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(襄陽(yáng))，湖北襄陽(yáng) 441004)

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某越野車輪邊減速器噪聲振動(dòng)性能研究與改進(jìn)

徐康，程華國(guó)，李俊，占銳，聶麗洋

(國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(襄陽(yáng))，湖北襄陽(yáng) 441004)

針對(duì)某越野車在行駛過(guò)程中存在的輪邊減速器噪聲過(guò)大問(wèn)題，在排除了輪邊減速器的殼體、軸承等因素后，進(jìn)行了輪邊減速器臺(tái)架噪聲振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)輪邊減速器臺(tái)架試驗(yàn)的噪聲振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集和分析，確定了齒輪傳遞誤差是導(dǎo)致輪邊減速器噪聲過(guò)大的主要原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了輪邊減速器齒輪副的優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明：改進(jìn)后輪邊減速器噪聲得到明顯降低。

越野車；輪邊減速器；噪聲與振動(dòng)；改進(jìn)

0 引言

越野車要求有高的動(dòng)力性，而車速一般較低[1]，通常會(huì)使用輪邊減速器，使傳動(dòng)系的傳動(dòng)比以較大的比率分配給驅(qū)動(dòng)橋，以防止變速器、分動(dòng)器等總成因承受過(guò)大轉(zhuǎn)矩而使尺寸及質(zhì)量過(guò)大，同時(shí)可以減小主減速器和半軸的外形尺寸，保證車輛具有足夠的離地間隙。某越野車上裝配的是一款直齒輪邊減速器，在車輛行駛過(guò)程中，在車內(nèi)能夠感受到來(lái)源于輪邊減速器的異常噪聲。針對(duì)該現(xiàn)象，在排除了輪邊減速器的殼體、軸承等干擾因素后，進(jìn)行了輪邊減速器臺(tái)架噪聲振動(dòng)試驗(yàn)和傳遞誤差[2]測(cè)試。通過(guò)對(duì)輪邊減速器的噪聲振動(dòng)和傳遞誤差信號(hào)的采集和分析，確定齒輪傳遞誤差是輪邊減速器噪聲過(guò)大的主要原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了輪邊減速器齒輪副的優(yōu)化改進(jìn)。

1 輪邊減速器噪聲振動(dòng)試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)樣品及臺(tái)架

現(xiàn)車上裝配的是圓柱齒輪式輪邊減速器，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為13，被動(dòng)齒輪齒數(shù)為25。

針對(duì)輪邊減速器樣品，在臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行了噪聲振動(dòng)試驗(yàn)和傳遞誤差試驗(yàn)。試驗(yàn)中試驗(yàn)設(shè)備使用的傳感器見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備使用的傳感器

兩臺(tái)加速度傳感器(Acc1和Acc2)分別固定在輪邊減速器的殼體兩側(cè)，兩臺(tái)麥克風(fēng)(Mic1和Mic2)放置在輪邊減速器兩側(cè)距離殼體300 mm的地方，轉(zhuǎn)速計(jì)放置在輸入軸靠近樣品側(cè)，兩臺(tái)編碼器(1號(hào)輸入編碼器和2號(hào)輸出編碼器)分別固定在樣品的輸入端和輸出端，如圖1所示。

圖1 樣品在臺(tái)架上的測(cè)試狀態(tài)

1.2 測(cè)試工況

(1)噪聲振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)樣品輸入扭矩200 N·m，輸入端轉(zhuǎn)速?gòu)?勻速升到1 200 r/min，記錄過(guò)程中樣品的噪聲振動(dòng)數(shù)據(jù)。

輸入轉(zhuǎn)速和相應(yīng)諧波階次頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)公式(1)：

(1)

式中：f為階次對(duì)應(yīng)的頻率；n為輸入端轉(zhuǎn)速；z1為主動(dòng)齒輪齒數(shù)；h為諧波階次，取1,2,3,4，…

(2)傳遞誤差試驗(yàn)。測(cè)量樣品輸入轉(zhuǎn)速10 r/min及輸入扭矩200 N·m時(shí)，輪邊減速器的傳遞誤差。

齒輪的傳遞誤差用公式( 轉(zhuǎn)角表示形式) 表示即為[3]：

(2)

而θ1和θ2存在如下關(guān)系：

θ2=θ1×i

(3)

將公式(3)代入公式(2)中可得：

(4)

沿嚙合線方向的公式表示為

(5)

2 輪邊減速器噪聲原因分析

在排除了輪邊減速器的殼體、軸承等干擾因素后，通過(guò)對(duì)直齒樣品進(jìn)行噪聲振動(dòng)試驗(yàn)和傳遞誤差試驗(yàn)，得出了圖2所示噪聲階次值曲線。從圖2可以看出：樣品的噪聲值隨輸入轉(zhuǎn)速的增大而增大。同時(shí)由圖2可分析出，輸入轉(zhuǎn)速在600、750和1 000 r/min附近，樣品的噪聲值分別有明顯的增強(qiáng)，且分別對(duì)應(yīng)噪聲的5、4和3階諧波。通過(guò)傳遞誤差試驗(yàn)測(cè)得的齒輪傳遞誤差在95 μm，這個(gè)傳遞誤差值非常大，是導(dǎo)致樣品噪聲值過(guò)大的主要原因。

圖2 直齒樣品200 N·m時(shí)Mic1傳感器噪聲階次值

同時(shí)對(duì)該輪邊減速器樣品參考QCT 533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，達(dá)到了QCT 534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是從樣品拆檢情況分析，樣品的齒輪齒面存在一定的偏載現(xiàn)象[4]，偏載情況見(jiàn)圖3。

圖3 直齒樣品齒面偏載情況

3 輪邊減速器改進(jìn)

直齒輪本身的重合度[5]較低，而重合度決定了工作載荷下的傳遞誤差。當(dāng)重合度較大時(shí)，齒輪副在載荷作用下能夠獲得較好的傳遞誤差曲線和動(dòng)態(tài)特性[6]。

在中心距和齒數(shù)不變的情況下，增大齒輪重合度的方法包括將直齒改為斜齒、增大螺旋角[7]、減小壓力角[8]等。而且使用斜齒輪，齒面應(yīng)力更低，載荷傳遞更平順，齒面重合度更高，這會(huì)使得齒輪產(chǎn)生更小的振動(dòng)，從而獲得更低的噪聲。

現(xiàn)將該款輪邊減速器的齒輪由直齒改為斜齒，增大螺旋角，同時(shí)減小壓力角，以達(dá)到增大重合度的目的。齒輪的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 直齒和斜齒的參數(shù)

優(yōu)化前后齒輪的重合度計(jì)算如下：

直齒圓柱齒輪重合度εα計(jì)算見(jiàn)公式(6)[9]：

(6)

斜齒圓柱齒輪重合度εγ計(jì)算見(jiàn)公式(7)[7]，包含有端面重合度εα與軸向重合度εβ：

εγ=εα+εβ

(7)

端面重合度εα計(jì)算和直齒圓柱齒輪計(jì)算方法相同，見(jiàn)公式(8)[9]：

(8)

軸向重合度εβ計(jì)算見(jiàn)公式(9)[9]：

(9)

斜齒圓柱齒輪的重合度：

εγ=1.324+0.583=1.907

通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出：齒輪優(yōu)化之后，齒輪的重合度從1.263提高到了1.907，重合度有了大幅的提高。

在樣品齒輪修改后，分別進(jìn)行了直齒樣品和斜齒樣品的噪聲振動(dòng)試驗(yàn)，得到了瀑布圖和階次圖，見(jiàn)圖4—11。

直齒輪邊Mic1傳感器測(cè)得的階次圖見(jiàn)圖2。

由圖4和圖5的噪聲瀑布圖可以看出：直齒樣品的1階諧波幾乎沒(méi)有產(chǎn)生任何噪聲響應(yīng)，2階、3階、4階以及更高階次均有響應(yīng)。由噪聲階次圖可以看出：直齒樣品總成的噪聲總體隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，最大值在90 dB(A)左右，其中3階、4階和5階噪聲響應(yīng)對(duì)總噪聲影響很大，第3階的最大噪聲接近總成噪聲。

圖4 直齒輪邊Mic1傳感器測(cè)得的噪聲瀑布圖

圖5 直齒輪邊Mic2傳感器測(cè)得的噪聲瀑布圖和階次圖

由圖6和圖7的振動(dòng)瀑布圖可以看出：直齒樣品在1階和2階振動(dòng)諧波幾乎沒(méi)有響應(yīng)；在3階以及更高階諧波上，直齒樣品響應(yīng)很明顯，這是影響樣品振動(dòng)的主要原因。由振動(dòng)階次圖可以看出：直齒樣品的1階和2階振動(dòng)響應(yīng)要明顯低于高階響應(yīng)。

由圖8和圖9的噪聲瀑布圖可以看出：斜齒樣品的1階和2階諧波幾乎沒(méi)有產(chǎn)生任何噪聲響應(yīng)，3階和4階的響應(yīng)要明顯低于直齒樣品，5階以上的高階諧波幾乎沒(méi)有響應(yīng)。由噪聲階次圖可以看出：斜齒樣品總成的噪聲總體也隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，最大值在80 dB(A)左右，相比直齒樣品降低了10 dB(A)左右，各階次對(duì)總成噪聲的影響均不明顯，各階次響應(yīng)峰值相對(duì)總噪聲降低了9 dB(A)左右。斜齒樣品臺(tái)架試驗(yàn)的噪聲比直齒樣品有明顯的改善。

圖6 直齒輪邊Acc1傳感器測(cè)得的振動(dòng)瀑布圖和階次圖

圖7 直齒輪邊Acc2傳感器測(cè)得的振動(dòng)瀑布圖和階次圖

圖8 斜齒輪邊Mic1傳感器測(cè)得的噪聲瀑布圖和階次圖

圖9 斜齒輪邊Mic2傳感器測(cè)得的噪聲瀑布圖和階次圖

由圖10和圖11振動(dòng)瀑布圖可以看出：兩種樣品在1階和2階振動(dòng)諧波幾乎沒(méi)有響應(yīng)；在3—4階諧波上有響應(yīng)，但是振動(dòng)響應(yīng)要明顯好于直齒樣品；在高頻諧波上，斜齒樣品幾乎沒(méi)有響應(yīng)。斜齒樣品臺(tái)架試驗(yàn)的振動(dòng)比直齒樣品有明顯的改善。

圖10 斜齒輪邊Acc1傳感器測(cè)得的振動(dòng)瀑布圖和階次圖

圖11 斜齒輪邊Acc2傳感器測(cè)得的振動(dòng)瀑布圖和階次圖

圖12 直齒輪邊減速器的傳遞誤差值

對(duì)比圖12和圖13可以看出，測(cè)量的直齒樣品的傳遞誤差峰值在75～95 μm之間，而斜齒樣品在同樣條件下減少到了50 μm左右，傳遞誤差得到了很大的改進(jìn)。

圖13 斜齒輪邊減速器的傳遞誤差值

4 結(jié)論

(1)針對(duì)輪邊減速器運(yùn)行過(guò)程中噪聲大的問(wèn)題，通過(guò)直齒輪邊減速器的噪聲振動(dòng)試驗(yàn)和傳遞誤差試驗(yàn)，找到了噪聲過(guò)大的原因，提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

(2)根據(jù)改進(jìn)意見(jiàn)，修改齒輪的參數(shù)后，對(duì)斜齒樣品重新進(jìn)行了噪聲振動(dòng)試驗(yàn)和傳遞誤差試驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示:輪邊減速器的噪聲振動(dòng)性能得到了很大的提升。

(3)改進(jìn)后的輪邊減速器裝車之后，在車內(nèi)聽(tīng)到的噪聲情況得到了很大的改善。

【1】王斌，過(guò)學(xué)迅.越野車輪邊減速器設(shè)計(jì)研究[J].汽車零部件,2010(5)：56-59.

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Research and Improvement on Hub Reducer Noise and Vibration Performance for a Cross Country Vehicle

XU Kang，CHENG Huaguo，LI Jun，ZHAN Rui，NIE Liyang

(National Automobile Quality Supervision and Test Center (Xiangyang)，Xiangyang Hubei 441004, China)

Aiming at the problem of over big noise of hub reducer in the driving process of a cross country vehicle, the hub reducer bench test for noise and vibration was made after excluding the factors of shell and bearing of hub reducer. The acquisition and analysis to the signals of noise and vibration of hub reducer bench test were conducted. It was confirmed that the transfer error of gears was the main cause of the over big noise of hub reducer. On the basis of testing, the optimization and improvement of gears pair of hub reducer were conducted. The results show that the noise of hub reducer is decreased obviously after improvement.

Cross country vehicle； Hub reducer； Noise and vibration；Improvement

2016-06-17

徐康(1985—)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)榭偝杉傲悴考囼?yàn)技術(shù)。E-mail：xukang@nast.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.014

U463.218+.2

A

1674-1986(2016)09-060-05