后橋總成嘯叫噪聲問題分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐海軍 李海建 劉鋒 林松

摘 要：后橋總成的嘯叫噪聲是影響汽車質(zhì)量的主要問題之一。為降低嘯叫噪聲，文章結(jié)合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方法。首先對后橋總成嘯叫問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，利用MASTA軟件建立傳動(dòng)軸-后橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型并進(jìn)行仿真分析得到關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度值及齒輪錯(cuò)位量。然后根據(jù)仿真分析結(jié)果通過格里森軟件對齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化達(dá)到降低齒輪傳遞誤差，降低嘯叫噪聲的目的。最后通過實(shí)車測試，驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行的，為汽車NVH性能提升的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：后橋總成;嘯叫噪聲;齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U463.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-134-04

Gear Whine Analysis and Structural Optimization of Rear Axle Assembly

Xu Haijun，?Li Haijian，?Liu Feng，?Lin Song

（?Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.，?Ltd，?Guangxi Liuzhou 545007?）

Abstract：?The noise of the rear axle assembly is one of the main problems affecting automobile quality. A gear optimization method based on dynamic response analysis of the transmission axle-rear axle system is proposed to solve gear whine problem. Firstly， the cause of the noise of the rear axle assembly is analyzed. A dynamic response analysis model of the transmission axle-rear axle system is established using MASTA software. Then vibration accelerations in key positions and gear displacement quantities are obtained by the simulation analysis. According to the results， gear parameters are resized by Gleason software to reduce the transmission error of gear. Finally， the design method is verified to be feasible through the real vehicle test， providing a feasible design idea for the NVH performance improvement of automobile.

Keywords： Rear axle assembly; Gear whine; Structural optimization

CLC NO.： U463.3 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-134-04

引言

汽車動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)一直是汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。齒輪作為動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)零件，在動(dòng)力傳動(dòng)過程中起關(guān)鍵作用。齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲會(huì)嚴(yán)重影響整車的品質(zhì)，導(dǎo)致用戶評價(jià)低，影響車型的銷售^[1]。

齒輪在嚙合傳動(dòng)中所受的不平穩(wěn)的激振力和嚙合過程的傳動(dòng)誤差會(huì)引起一種中高頻噪聲，稱為齒輪嘯叫^[2]。齒輪嘯叫不僅影響傳動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響駕駛者的行車體驗(yàn)。為了解決齒輪嘯叫噪聲問題，部分學(xué)者和工程技術(shù)人員在此方面開展研究。湯海川和郭楓^[3]通過分析不同修形參數(shù)對齒輪嚙合傳動(dòng)的影響，利用MASTA軟件對齒形和齒向修形進(jìn)行仿真，得到了修形參數(shù)對齒輪傳動(dòng)誤差和接觸應(yīng)力的影響規(guī)律，成功降低汽車變速器上齒輪的嘯叫噪聲。何暢然和賀敬良^[4]通過對變速箱5檔齒輪的齒頂厚、配對齒頂間隙、齒根間隙、齒向和齒廓等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小了齒輪傳遞誤差，使嘯叫現(xiàn)象得到改善。徐忠四和承忠平等^[5]采用齒形和齒向相結(jié)合的齒面修形法，建立一種齒輪傳遞誤差和齒面接觸應(yīng)力雙目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化控制模型，降低了電動(dòng)汽車減速器的嘯叫噪聲。

汽車后橋總成是汽車底盤的關(guān)鍵零部件，后橋總成中齒輪傳遞的不平穩(wěn)性是后橋主減速器產(chǎn)生嘯叫噪聲的根本原因。目前國內(nèi)汽車企業(yè)解決后橋總成齒輪嘯叫噪聲的方法主要是通過人工依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行齒輪修形，并結(jié)合實(shí)車測試反復(fù)調(diào)整齒輪參數(shù)達(dá)到降低齒輪噪聲的目的。這種人工經(jīng)驗(yàn)修形的方法由于缺少理論依據(jù)，耗時(shí)長，效率低。為此，本文結(jié)合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方法。

1 后橋總成嘯叫噪聲產(chǎn)生的原因分析

汽車的后橋總成是復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，它由主減速器（主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪及差速器總成等），半軸及橋殼等部件組成，通過主減速器實(shí)現(xiàn)降速增扭的作用。后橋總成模型如圖1所示。

后橋傳動(dòng)系統(tǒng)的差速器主要結(jié)構(gòu)是由一對嚙合的傘齒輪組成，如圖2所示。主被齒嚙合激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)的大小可用傳遞誤差來描述。如圖3所示，正常情況下主被齒嚙合時(shí)，主動(dòng)齒輪的齒廓A和被動(dòng)輪上齒廓B嚙合，主被齒準(zhǔn)確平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。如果受到主背齒安裝剛度與差速器總成制造誤差的影響，被動(dòng)齒廓發(fā)生變化，從B處變成B'處，導(dǎo)致主齒A需要多轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度δ才能在嚙合線上到達(dá)嚙合位置B'處，此時(shí)在嚙合線上移動(dòng)的額外距離TE就是傳遞誤差。傳遞誤差的波動(dòng)越大，齒輪傳動(dòng)越不平穩(wěn)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲越大^[6]。

在齒輪振動(dòng)分析中，齒輪傳遞誤差可采用不同的方法來表示，可用實(shí)測的誤差數(shù)值或曲線表示，也可用傅立葉級數(shù)表示（基頻為齒輪嚙合頻率），還可用簡諧函數(shù)表示（頻率為齒輪嚙合頻率）。由于受到測試條件的限制，雖然實(shí)測誤差數(shù)值或誤差曲線最能反映齒輪誤差激勵(lì)的實(shí)際情況，但該方法較難實(shí)現(xiàn)，一般較少適用。在齒輪動(dòng)力學(xué)模型中，誤差激勵(lì)實(shí)質(zhì)上是一種參數(shù)激勵(lì)，其表現(xiàn)形式為彈性力項(xiàng)的位移量，通常采用簡諧函數(shù)來表示齒輪傳遞誤差^[7]：

式中，e₀，e_Ai——為傳遞誤差在嚙合線法向上的常值和幅值，一般取e₀=0;

——為齒輪的嚙合頻率;

φ_e——靜態(tài)傳遞誤差的初相位。

另一方面，由齒輪嚙合誤差產(chǎn)生的振動(dòng)通過差速器振動(dòng)噪聲傳遞路徑（圖4）進(jìn)行傳遞，在此過程中，后橋傳動(dòng)系統(tǒng)各零件間產(chǎn)生耦合振動(dòng)導(dǎo)致齒輪振動(dòng)噪聲被放大，此時(shí)差速器總成的嘯叫將更加明顯。

2 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程

根據(jù)前面的分析，由于齒輪傳動(dòng)的不平穩(wěn)性是產(chǎn)生嘯叫噪聲的主要原因，以此通過提高齒輪齒形的加工精度及齒輪安裝位置的加工精度，減少齒輪的傳遞誤差，能在一定程度上改善后橋總成的嘯叫問題。目前企業(yè)通常采用格里森的計(jì)算機(jī)輔助齒輪設(shè)計(jì)，CAGE軟件對齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)基于理想化的邊界條件，與實(shí)際工作狀態(tài)不吻合，因此無法判斷齒輪在實(shí)際工作狀態(tài)下的錯(cuò)位量。

為此，考慮進(jìn)一步利用與CAGE軟件無縫對接的齒輪動(dòng)態(tài)分析MASTA軟件進(jìn)行齒輪在實(shí)車工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，通過齒輪在實(shí)車工作狀態(tài)下的真實(shí)錯(cuò)位量與對應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度的匹配分析，對齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體的設(shè)計(jì)流程如圖5所示，首先將CAGE軟件設(shè)計(jì)的主減速齒輪spa文件導(dǎo)入MASTA軟件中，建立傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型。接下來對新開發(fā)的齒輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析得出關(guān)鍵點(diǎn)（主齒軸承位，差速器軸承位）的振動(dòng)加速度，同時(shí)計(jì)算對應(yīng)的齒輪錯(cuò)位量，通過關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度判斷傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)振動(dòng)噪聲是否在合格的閾值范圍內(nèi)。對于超過閾值的齒輪返回CAGE軟件系統(tǒng)進(jìn)行齒形修形，直至設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

2.2 傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)是復(fù)雜的多自由度非線性振動(dòng)系統(tǒng)，利用MASTA軟件準(zhǔn)確建立傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)模型，包括傳動(dòng)軸、半軸、主減速總成、車輪及懸掛掛臂系統(tǒng)，如圖6所示。根據(jù)前期售后的反饋，研究車型的嘯叫問題主要出現(xiàn)在五檔滑行和加速狀態(tài)下，因此本文研究的工況條件為五檔滑行和五檔加速。以研究車型實(shí)車測試的兩種工況下的傳動(dòng)軸輸入端輸入轉(zhuǎn)速和扭矩值作為模型加載的輸入。

根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果可知，由齒輪傳動(dòng)誤差等引起的振動(dòng)在主減速總成的耦合振動(dòng)點(diǎn)主要是在主減速器總成的軸承處^[7]。因此設(shè)置主齒軸承位與差速器軸承位作為測試關(guān)鍵點(diǎn)，利用傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)模型對整車五檔加速及滑行工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，分析結(jié)果如表1，表2所示。

為驗(yàn)證仿真模型的合理性，進(jìn)行實(shí)車對比測試。根據(jù)問題車型嘯叫噪聲的售后反饋，嘯叫最明顯的位置位于整車的中后排。按照國標(biāo)GB T 18697-2002汽車車內(nèi)噪聲測量方法，采用LMS噪聲測試設(shè)備，在研究車型的中后排位置安裝麥克風(fēng)測試噪聲，如圖7所示。實(shí)車測試結(jié)果如圖8所示，加速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3212r/min，對應(yīng)主齒嚙合頻率在640Hz出現(xiàn)峰值噪聲;滑行工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3224r/min，對應(yīng)主齒嚙合頻率在647Hz出現(xiàn)峰值噪聲。仿真分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近，證明該模型參數(shù)設(shè)置合理。

2.3 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了增加齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減少齒輪的傳遞誤差，需要進(jìn)一步對齒輪進(jìn)行修形。齒輪的傳遞誤差與齒輪接觸印痕關(guān)聯(lián)度大。齒面接觸印痕增大時(shí)，齒輪的傳遞誤差減小，齒面的受力變形也隨之減小，同時(shí)增加了齒輪嚙合路徑。因此，在格里森CAGE軟件中，通過調(diào)整接觸印痕長度系數(shù)和接觸印痕位置系數(shù)等參數(shù)的大小，可以完成對接觸印痕的調(diào)整，達(dá)到降低不同工況下齒輪傳遞誤差的目的，從而能有效的減少齒輪嘯叫噪聲。

對比齒輪優(yōu)化前后五檔加速工況及滑行工況下，齒輪接觸印痕及傳遞誤差（圖9，10），優(yōu)化后齒輪的接觸印痕長度增加，齒輪傳動(dòng)誤差明顯下降，提升了齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

優(yōu)化后的齒輪再次在MASTA軟件中進(jìn)行兩種工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，得到主被齒輪錯(cuò)位量TE值及關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度值。

對比齒輪優(yōu)化前后五檔加速工況及滑行工況下，齒輪錯(cuò)位量TE值（圖11-14）及關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)加速度值（表1-4），優(yōu)化后齒輪的錯(cuò)位量顯著下降，關(guān)鍵點(diǎn)的加速度峰值明顯下降，有效地改善了后橋總成的嘯叫噪聲問題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性，將改進(jìn)后的齒輪進(jìn)行實(shí)車測試，測試結(jié)果如圖15所示。對比改進(jìn)前的實(shí)車測試結(jié)果（圖8），五檔加速工況下，主減速器噪聲從64db下降到58.5db，五檔滑行工況下，主減速噪聲從69db下降到57db。測試者位于整車后排，主觀評價(jià)整車嘯叫聲問題基本解決。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某車型后橋總成嘯叫噪聲問題，提出一種基于傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方法。

利用格里森CAGE軟件與齒輪動(dòng)態(tài)分析MASTA軟件的無縫對接，建立齒輪設(shè)計(jì)——傳動(dòng)軸-后橋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析——振動(dòng)噪聲及齒輪錯(cuò)位量分析——齒輪修形改進(jìn)的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。通過實(shí)車測試對比，驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行的，能夠有效改善后橋總成的嘯叫噪聲問題，為后橋及相關(guān)零部件NVH性能提升的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路。

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