齒面加工誤差引起的純電動(dòng)客車加速異響分析

林銀聚

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

與傳統(tǒng)客車相比，純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模式發(fā)生了變化。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與發(fā)動(dòng)機(jī)不同，其激勵(lì)特性較傳統(tǒng)客車也有較大差異。純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系呈弱阻尼特性，對(duì)齒輪系的曠響等異響噪聲控制提出了新的挑戰(zhàn)。

加速異響是目前純電動(dòng)客車比較常見(jiàn)和急需解決的問(wèn)題。表現(xiàn)在全油門加速過(guò)程中，某一車速段出現(xiàn)嘯叫、異響，嚴(yán)重時(shí)伴有車身抖動(dòng)現(xiàn)象，影響駕乘舒適性。其原因有主減速器齒輪問(wèn)題、電機(jī)激勵(lì)問(wèn)題、傳動(dòng)系角度問(wèn)題等。本文分析和解決由齒面加工誤差引起的加速異響問(wèn)題。

1 整車基本參數(shù)及加速異響癥狀

1.1 整車基本參數(shù)

某中央直驅(qū)式[1]純電動(dòng)客車，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速器總成、左右半軸、左右車輪。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，電機(jī)極對(duì)數(shù)6, 定子槽數(shù)72[2]。后橋主減速器主動(dòng)齒數(shù)7,從動(dòng)齒數(shù)43。輪胎滾動(dòng)半徑0.424 m。整車噪聲指標(biāo)要求如下：

1) 50 km/h勻速行駛工況[3]：駕駛區(qū)≤74 dB(A)，乘客區(qū)≤76 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速工況[4]：駕駛區(qū)≤78 dB(A)，乘客區(qū)≤84 dB(A)。

1.2 加速異響癥狀

整車路試中發(fā)現(xiàn)，低速到高速加速過(guò)程，車內(nèi)噪聲大、刺耳，主觀感覺(jué)聲品質(zhì)差，用LMS Test.Lab[5]噪聲振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)如下：

1) 50 km/h勻速行駛：駕駛區(qū)74.4 dB(A)，乘客區(qū)中排80.0 dB(A)，乘客區(qū)后排76.4 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速(峰值)：駕駛區(qū)77.4 dB(A)，乘客區(qū)中排89.19 dB(A)，乘客區(qū)后排79.2 dB(A)。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，50 km/h勻速工況，駕駛區(qū)和乘客區(qū)噪聲超過(guò)噪聲指標(biāo)要求；10～50 km/h全油門加速工況,乘客區(qū)噪聲超過(guò)噪聲指標(biāo)要求，且主觀評(píng)價(jià)聲音品質(zhì)差[6]。

2 加速異響問(wèn)題分析及解決措施

2.1 原始狀態(tài)原因分析

主觀不能明確判斷出是電機(jī)還是驅(qū)動(dòng)橋發(fā)出的異響，結(jié)合整車噪聲頻譜和驅(qū)動(dòng)橋、電機(jī)的振動(dòng)頻譜，采用階次跟蹤分析法查找噪聲產(chǎn)生原因。采用LMS Test.Lab多通道測(cè)試系統(tǒng)采集振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)速信號(hào)，并通過(guò)FFT得到清晰的color脈譜圖(即階次譜圖)[7-10]。

采用中央直驅(qū)電機(jī)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速等于電機(jī)軸轉(zhuǎn)速，以電機(jī)軸轉(zhuǎn)速作為傳動(dòng)軸振動(dòng)的基礎(chǔ)頻率(1階)，K階對(duì)應(yīng)的頻率是基頻的K倍。電機(jī)軸基頻f0=n/60；電機(jī)電頻率fe=np/60；其中n為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)6,則fe相對(duì)f0的階次Kd=fe/f0=6階。電機(jī)振動(dòng)頻譜中主要頻率成分包含電機(jī)軸轉(zhuǎn)頻、電機(jī)電頻及其倍頻和邊頻。同理，驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)齒數(shù)7，則驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)齒輪嚙合頻率fq相對(duì)電機(jī)軸轉(zhuǎn)頻f0的階次為7階。驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)頻譜中主要頻率成分包含傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻及其倍頻和邊頻。

為便于分析問(wèn)題，截取全油門加速車內(nèi)噪聲測(cè)試譜，如圖1所示。從圖中可知，在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1 433.5 r/min(對(duì)應(yīng)車速37.29 km/h)時(shí)，車內(nèi)中排瞬時(shí)最大噪聲達(dá)到89.19 dB(A),且現(xiàn)場(chǎng)主觀感受此時(shí)車內(nèi)噪聲存在明顯異響。

圖1 全油門加速車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

以下分析中排噪聲頻譜產(chǎn)生異響原因。全油門加速工況中排噪聲脈譜如圖2所示。結(jié)合圖1、圖2分析得知，此工況下車內(nèi)中排噪聲主要貢獻(xiàn)量來(lái)自于圖2所示的35階～42階振動(dòng)能量[11]。

圖2 全油門加速車內(nèi)中排color脈譜圖

1) 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)脈譜分析。圖3為全油門加速時(shí)驅(qū)動(dòng)橋主減速器小端處的Z向振動(dòng)color脈譜圖?？梢钥闯?，在35階～42階存在明顯的能量峰值；圖4所示的電機(jī)Z向振動(dòng)幅值只在36階處存在明顯的能量。說(shuō)明車內(nèi)中排噪聲在35階～42階處的能量主要來(lái)自于驅(qū)動(dòng)橋主減速器。

圖3 全油門加速后橋主減速器Z向振動(dòng)color脈譜圖

圖4 全油門加速電機(jī)Z向振動(dòng)color脈譜圖

2) 傳動(dòng)軸扭矩波動(dòng)分析。根據(jù)上述分析不能簡(jiǎn)單判斷是驅(qū)動(dòng)橋主減速器自身問(wèn)題，還是電機(jī)扭矩波動(dòng)大引起激勵(lì)產(chǎn)生較大的主減速器嚙合噪聲問(wèn)題。因此，在傳動(dòng)軸上貼應(yīng)變片，測(cè)試傳動(dòng)軸扭矩。全油門加速工況傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 全油門加速工況傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看出，在車速37.29 km/h(對(duì)應(yīng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1 433.5 r/min)時(shí)，傳動(dòng)軸扭矩瞬時(shí)有效值為 1 591.55 Nm，上下波動(dòng)63.7 Nm，扭矩波動(dòng)幅值4%，滿足驅(qū)動(dòng)橋的扭矩要求(扭矩波動(dòng)幅值動(dòng)≤5%),故排除扭矩波動(dòng)因素。因此，可以判斷是由驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪加工誤差引起的加速異響。

2.2 更換后橋主減速器測(cè)試分析

為進(jìn)一步分析原因，更換主減速器總成后再次整車路試采集勻速及加速工況下車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)如下：

1) 50 km/h勻速行駛。駕駛區(qū)73.8 dB(A)，乘客區(qū)中排77.5 dB(A)，乘客區(qū)后排73 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速行駛。駕駛區(qū)74.7 dB(A)，乘客區(qū)中排82.5 dB(A)，乘客區(qū)后排76.7 dB(A)。

通過(guò)前后對(duì)比分析可知： 50 km/h勻速工況下，車內(nèi)最大噪聲相對(duì)原狀態(tài)降低了2.5 dB(A)；10～50 km/h全油門加速工況下，車內(nèi)最大噪聲相對(duì)原狀態(tài)降低了6.69 dB(A)。更換主減速器后各工況噪聲均滿足整車噪聲指標(biāo)要求。

3) 中排噪聲color脈譜圖對(duì)比。更換主減速器后全油門加速工況車內(nèi)中排噪聲color脈譜圖見(jiàn)圖6。

圖6 換主減速器后車內(nèi)中排噪聲color脈譜圖

通過(guò)對(duì)比圖6和圖2可以看出，更換后的車內(nèi)中排噪聲在35階～42階處的能量相對(duì)原狀態(tài)大幅度降低，現(xiàn)場(chǎng)主觀感受到車內(nèi)異響消失。

2.3 主減速器拆檢分析

拆檢原車驅(qū)動(dòng)橋主減速器，發(fā)現(xiàn)主減速器主動(dòng)齒驅(qū)動(dòng)面有約45°放射狀條紋。如圖7所示。

圖7 齒面出現(xiàn)45°放射狀條紋

從動(dòng)齒驅(qū)動(dòng)面局部磨痕突出。齒輪齒面加工時(shí)產(chǎn)生的條紋方向應(yīng)該平行于齒頂，不會(huì)出現(xiàn)45°方向的放射狀條紋，分析其原因是裝車運(yùn)行后齒面發(fā)生的磨損。進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)橋35階～42階異響是否是齒面45°方向放射狀條紋產(chǎn)生的，將拆下的主減速器裝到臺(tái)架上測(cè)試其噪聲：按750～1 500(間隔250)r/min 輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載噪聲測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在 1 250 r/min 輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋的水平和垂直方向噪聲值分別為79.2 dB(A)和78.1 dB(A)；在1 500 r/min輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋的水平和垂直方向噪聲值分別為81.6 dB(A)和79.2 dB(A)。均超過(guò)企標(biāo)要求的78 dB(A)，判定為不合格。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因分析如下：

1) 齒面未修正磨平。驅(qū)動(dòng)橋主減速器主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪有偏置距，齒輪嚙合時(shí)，齒面會(huì)發(fā)生滑移。當(dāng)齒面未修磨平整時(shí)，齒輪高速旋轉(zhuǎn)嚙合受徑向交變力作用主減速器齒面出現(xiàn)約45°放射性條紋。放射狀條紋加大了齒輪嚙合摩擦振動(dòng)頻率，在齒輪嚙合5倍頻(35階)和6倍頻(42階)之間產(chǎn)生諧波邊頻，導(dǎo)致加速工況主減速器異響。而齒面未修正磨平的原因可能是磨齒機(jī)的控制液壓閥漏油，導(dǎo)致砂輪磨齒工作不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生齒輪表面不平整。

2) 檢測(cè)條件受限。日常生產(chǎn)對(duì)齒輪精度、配對(duì)印痕、傳動(dòng)誤差均有檢測(cè)，但這些檢測(cè)排查不出齒面的修正磨平情況，導(dǎo)致不合格產(chǎn)品流出使用。

2.4 解決措施

對(duì)已經(jīng)發(fā)生齒輪加工誤差引起加速異響的車輛和后續(xù)車輛的處理分別提出臨時(shí)措施和永久措施：

1) 臨時(shí)措施。對(duì)已發(fā)生異響的車輛，主動(dòng)更換主減速器。

2) 永久措施?？偨Y(jié)異常產(chǎn)生和流出的原因，杜絕類似問(wèn)題重復(fù)發(fā)生，增加相應(yīng)的檢驗(yàn)手段和工藝要求。在生產(chǎn)過(guò)程中，管控產(chǎn)品質(zhì)量的具體處理措施有：一是對(duì)齒磨機(jī)控制液壓油進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況，對(duì)發(fā)現(xiàn)泄漏的磨齒機(jī)封存、報(bào)廢處理；二是增加機(jī)床設(shè)備點(diǎn)檢、巡檢細(xì)化要求；三是增加磨齒工序、配對(duì)工序首末件高速噪聲檢測(cè)要求；四是增加主減速器總成裝配加載噪聲檢測(cè)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際的純電動(dòng)客車加速異響案例，鎖定齒輪加工誤差產(chǎn)生和流出原因，制定相應(yīng)的管控措施。該問(wèn)題的解決不僅大大提升了產(chǎn)品的聲品質(zhì)，也為其他產(chǎn)品同類問(wèn)題的分析和解決提供了很好的借鑒作用，為解決實(shí)際問(wèn)題提供了參考。