某商用車帶擋滑行室內(nèi)異響問題分析與處理

展新

【摘 要】汽車駕駛室內(nèi)異響是比較常見的NVH問題之一。文章以某商用車帶擋滑行時后橋所造成的異響問題為研究對象，闡述了商用車后橋異響的產(chǎn)生機(jī)理和控制策略，繼而利用整車道路NVH試驗、駕駛室聲學(xué)靈敏度測試（NTF）和階次分析等手段確定產(chǎn)生異響的主要聲源，并通過聲源頻率定位和后橋?qū)嵨锊鸾夥治龃_定后橋主減齒輪為異響根源，然后提出對后橋主減齒輪齒形進(jìn)行優(yōu)化的問題解決方案。最終經(jīng)實(shí)車道路試驗驗證，所采用的解決方案正確有效。

【關(guān)鍵詞】異響;齒輪噪聲;道路試驗;階次分析

【中圖分類號】U471 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）11-0058-04

近年來，商用車市場持續(xù)快速發(fā)展。隨著人們生活水平的不斷提高和客戶群體的年輕化，商用車NVH也越來越受到用戶關(guān)注，如何提高車輛舒適性已成為新的競爭焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。對商用車NVH問題的關(guān)注已從最初的整車與駕駛室及發(fā)動機(jī)等主要部件逐漸擴(kuò)展到傳動軸、后橋和輪胎等系統(tǒng)及部件級的NVH研究與控制。

本文以某商用車帶擋滑行時車內(nèi)出現(xiàn)的異響問題為例，對汽車后橋齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和控制方法進(jìn)行探討和總結(jié)，并利用整車NVH道路試驗、駕駛室傳遞函數(shù)測試分析和后橋結(jié)構(gòu)拆解等手段，確定后橋是造成異響的根本原因。從控制激勵源輸入的角度提出解決方案，有效解決了異響問題，為控制后橋齒輪噪聲問題提供了一種可借鑒的工程實(shí)用方法。

1 齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)及工作原理

某重型牽引車發(fā)動機(jī)布置形式是前置后驅(qū)，驅(qū)動橋的基本構(gòu)造為后橋殼體、主減速器、差速器及半軸等。車輛行駛時，主減速器作為連接傳動軸與半軸的紐帶，是后橋總成傳遞動力的主要承擔(dān)者，主減速器通過準(zhǔn)雙曲面齒輪實(shí)現(xiàn)減速、增矩及傳動的功能，其本身齒輪嚙合特性決定了主減速器甚至后橋總成的振動噪聲水平。

1.2 齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

齒輪的動態(tài)激勵是齒輪產(chǎn)生振動噪聲的根本原因，通常齒輪的動態(tài)激勵包括兩個部分：？譹？訛由齒輪自身嚙合產(chǎn)生的動態(tài)激勵，稱為內(nèi)部激勵;？譺？訛由齒輪系統(tǒng)外部如發(fā)動機(jī)激勵、傳動軸不平衡激勵等引起的激勵，稱為外部激勵。

本文主要研究齒輪嚙合產(chǎn)生的內(nèi)部激勵。齒輪嚙合過程具有非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)特征，若用一個簡化的單自由度振動系統(tǒng)模型模擬齒輪嚙合的振動，利用該模型可以推導(dǎo)出齒輪嚙合的動力學(xué)性能及其內(nèi)部激勵構(gòu)成，如公式（1）所示。

其中，M為嚙合線方向上的等效質(zhì)量，C為嚙合阻尼， 為平均嚙合靜態(tài)剛度，x為相對位移， 為平均靜態(tài)相對位移， 為相對速度， 為相對加速度，△K為嚙合動態(tài)剛度，△x為嚙合動態(tài)相對位移，Et為嚙合誤差，隨時間變化。

通過公式（1）得知，齒輪嚙合系統(tǒng)的內(nèi)部激勵主要由3個部分構(gòu)成：第一項含有誤差系數(shù)，為誤差激勵，是齒輪嚙合頻率噪聲的主要原因;第二項含有時變嚙合剛度的可變部分，為剛度激勵;第三項為誤差和嚙合剛度變化同時存在，為嚙合沖擊激勵。

齒輪振動噪聲是由節(jié)線沖擊振動引起，齒輪每嚙合一次將會出現(xiàn)一次節(jié)線沖擊，其頻率特性主要表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率、固有頻率及其諧波。固有頻率由齒輪自身特性決定，齒輪回轉(zhuǎn)頻率和齒輪嚙合頻率可通過公式（2）、公式（3）計算得出：

f0=n/60 （2）

fn=（n×Z1）/60 （3）

其中，n為主動輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min;Z1為主動輪齒數(shù)。

1.3 齒輪噪聲的控制策略

影響齒輪噪聲的因素很多，制定降噪措施主要從減少齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵、提高齒輪加工精度及控制安裝誤差等方面考慮，目前常用的降低齒輪噪聲的方法總結(jié)如下。

（1）優(yōu)化齒輪參數(shù)。模數(shù)和齒數(shù)對齒輪噪聲都有重要影響，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。通常，隨著模數(shù)增大，齒輪的剛度增強(qiáng)，噪聲降低;但是隨模數(shù)增大，嚙合重合度會降低，對降低噪聲又不利;齒輪齒數(shù)越多，重合度越大，越有利于降低噪聲。

（2）優(yōu)化齒輪齒形。通過優(yōu)化齒形，提高齒輪的承載能力和嚙合精度，減小齒輪受載變形，使齒輪受力均勻而圓滑地傳動，減小齒輪動態(tài)激勵。

（3）提高齒輪加工精度。齒形誤差、齒距誤差及齒向誤差等對齒輪噪聲影響很大，減小這些誤差是降低齒輪噪聲的有效方法。同時，提高齒輪加工精度可以減小齒面粗糙度，降低齒輪噪聲。

（4）采用阻尼減振降噪材料。阻尼減振降噪是有效控制振動和噪聲的方法之一，采用高阻尼材料附著在結(jié)構(gòu)件表面，通過耗散結(jié)構(gòu)振動能量而達(dá)到減振降噪目的。

2 帶擋滑行后橋異響案例分析

2.1 問題描述

據(jù)市場客戶反饋，某重型6×4牽引車重載帶擋滑行時室內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的“嗡嗡嗡”異響聲，其中70 km/h左右車速產(chǎn)生的異響聲最嚴(yán)重，影響乘客舒適性。

2.2 試驗分析

為了準(zhǔn)確識別造成帶擋滑行異響的噪聲源，進(jìn)行整車道路NVH試驗和駕駛室傳遞函數(shù)測試（NTF）分析等工作。主要實(shí)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下。

（1）如圖1及圖2所示，在帶擋滑行工況下，駕駛員右耳存在11.5階噪聲峰值，其中在70 km/h（1 120 r/min）車速下噪聲最大，峰值頻率為215 Hz。異響噪聲存在明顯階次，可以判定是汽車旋轉(zhuǎn)部件引起。

（2）圖3和圖4分別為駕駛室車外監(jiān)控測點(diǎn)和后橋近場測點(diǎn)數(shù)據(jù)，同樣存在明顯的11.5階峰值噪聲，峰值頻率為215 Hz;同時，從圖5與圖6所示的駕駛室前、后懸置傳遞函數(shù)（VTF）可知，其在215 Hz附近并無明顯峰值，據(jù)此判定異響不是由車身鈑金共振所引起，而是由汽車旋轉(zhuǎn)部件所導(dǎo)致。

（3）主觀評價發(fā)現(xiàn)車輛分別采用11擋、12擋和空擋滑行時，駕駛員在70 km/h車速均存在明顯的異響噪聲，頻率均為215 Hz，該頻率只與車速相關(guān)，與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變速箱擋位無關(guān)，因此可以排除發(fā)動機(jī)和變速箱的影響。具體數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如表1、圖7和圖8所示。

（4）排除駕駛室、發(fā)動機(jī)和變速箱的影響后，與車速相關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件主要有傳動軸、主減速器和輪胎，對這些部件的旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

對于傳動軸和輪胎來說，其激振主要是1階、2階頻率。12擋行駛時變速箱速比是0.78，當(dāng)行駛車速為70 km/h時，傳動軸的1階頻率為1 120/（0.78×60）=23.9 Hz，2階頻率為47.8 Hz;后橋速比為4.111，輪胎的1階頻率為1120/（0.78×4.111×60）=5.82 Hz，2階頻率為11.64 Hz，傳動軸和輪胎的頻率均和異響頻率不一致，據(jù)此排除傳動軸和輪胎作為異響根源的可能。

后橋主減速器主動齒輪的齒數(shù)為9齒，12擋70 km/h行駛時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 120 r/min，主減齒輪嚙合階次為9/0.78=11.5階，嚙合頻率為（1 120×9）? /（0.78×60） =215 Hz，與室內(nèi)異響噪聲的頻率完全一致，同時異響頻率下后橋測點(diǎn)噪聲最大，因此可以確認(rèn)主減速器為駕駛室內(nèi)異響噪聲的根源。

2.3 主減速器拆解分析

為進(jìn)一步確認(rèn)后橋主減齒輪的問題，對后橋進(jìn)行拆解分析發(fā)現(xiàn)：齒輪齒面存在多處刀痕過深、粗糙度差和起毛等制造加工問題（如圖9和圖10所示）。齒輪齒面的質(zhì)量缺陷直接導(dǎo)致嚙合齒廓偏離理論的理想嚙合位置，破壞了齒輪正確的嚙合方式，導(dǎo)致齒輪的沖擊和碰撞，產(chǎn)生齒輪誤差激勵，從而產(chǎn)生齒輪噪聲。

綜上所述，經(jīng)整車實(shí)驗數(shù)據(jù)分析和后橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)拆解驗證，后橋主減齒輪是造成帶擋滑行室內(nèi)異響的根本原因。

3 問題解決方案與效果驗證

3.1 解決方案

根據(jù)齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和控制策略，該牽引車異響問題是由于齒輪加工精度不夠、齒面起伏不平、嚙合產(chǎn)生誤差激勵所導(dǎo)致。因此，降低齒輪噪聲的首要措施是提高齒輪加工精度。經(jīng)綜合考慮整改效果、加工工藝、整改成本和齒輪承載能力等多方面因素，最終選擇優(yōu)化主減齒輪齒形作為解決方案。

3.2 效果驗證

優(yōu)化齒形后，重新裝車再進(jìn)行道路NVH試驗，試驗工況與優(yōu)化前相同，測試結(jié)果如圖11～13所示。

如圖11～13所示，在12擋滑行工況下，主減嚙合11.5階次噪聲明顯降低，發(fā)動機(jī)1 200 r/min轉(zhuǎn)速下降低13.4 dB（A）;圖11顯示，優(yōu)化后12擋70 km/h車速下異響主要頻率215 Hz峰值噪聲明顯減弱，降低了11 dB（A），駕駛員耳旁噪聲總值降低了8.3 dB（A），駕駛室內(nèi)異響問題得到徹底解決。

4 結(jié)語

（1）本文所用整車NVH試驗、傳遞函數(shù)測試分析及實(shí)際結(jié)構(gòu)拆解與主觀評價相結(jié)合的方法能對駕駛室內(nèi)異響問題進(jìn)行有效識別并準(zhǔn)確確定問題根源，在商用車NVH領(lǐng)域有一定的參考借鑒意義和工程應(yīng)用價值。

（2）基于所面對的具體異響問題提出的對后橋主減齒輪齒形進(jìn)行優(yōu)化的問題解決方案，經(jīng)實(shí)車道路試驗驗證，有效解決了某商用車后橋?qū)е碌鸟{駛室內(nèi)異響噪聲問題，從而改善了車輛整體駕乘舒適性，減少了顧客抱怨，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

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