電驅(qū)動(dòng)橋用減速器NVH優(yōu)化研究

李艷紅，董婷

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

某款電機(jī)、車橋與減速器集成為電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)，并配置在公交車輛上。在裝車試驗(yàn)驗(yàn)證階段，發(fā)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)存在噪聲大和異響的問題：車輛正常行駛過程中在車內(nèi)可聽到從電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)處傳出的較大的噪聲并伴有沉悶的、有節(jié)奏的“轟轟”聲；在加速踏板和制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí)有明顯的短暫的“咚咚”的異響，制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí)異響尤為突出。為此，本文作者針對此問題采取了相應(yīng)的整改措施進(jìn)行優(yōu)化，消除了異響，降低了噪聲值，取得了顯著效果。

1 問題分析

針對上述問題，借助具有振動(dòng)和噪聲信號采集及處理功能的專業(yè)工具——LMS Test Lab振動(dòng)噪聲測試系統(tǒng)，在車內(nèi)電驅(qū)動(dòng)橋上方——后排座位處布置了麥克風(fēng)采集噪聲，在電機(jī)和減速器上分別布置了振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，對車輛運(yùn)行過程中電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)產(chǎn)生的問題進(jìn)行了深入的分析研究[1]。

1.1 正常行駛時(shí)噪聲大的問題

以加速過程為分析對象，以階次分析技術(shù)[2]為主要分析方法，對產(chǎn)生較大的噪聲及低沉異響及產(chǎn)生原因進(jìn)行初排查。采集到的噪聲分布如圖1所示，車內(nèi)噪聲5.93階及其高次諧階次、8階及其高次諧階次的噪聲較大，且存在電機(jī)PWM載波頻率產(chǎn)生的噪聲成分[3]。

圖1 加速時(shí)車內(nèi)后排座位右耳側(cè)噪聲數(shù)據(jù)

分析了安裝在電機(jī)和減速器上的振動(dòng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，如圖2所示。電機(jī)和減速器振動(dòng)在5.93階、8階、24階及其高次諧階次上均有體現(xiàn)，且電機(jī)存在共振和PWM載波頻率的振動(dòng)成分，振動(dòng)與噪聲分布有一定的相關(guān)性。

圖2 電機(jī)和減速器豎直方向振動(dòng)瀑布圖

進(jìn)一步排查，在臺(tái)架上對減速器的振動(dòng)進(jìn)行測試，辨別電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)的源頭。減速器臺(tái)架振動(dòng)測試結(jié)果如圖3所示，存在5.93階和24階次及其高次諧階次?？梢姡?階及其相關(guān)階次振動(dòng)和噪聲是電機(jī)相關(guān)的特征階次。

圖3 減速器臺(tái)架試驗(yàn)豎直方向振動(dòng)瀑布圖

具體地，電機(jī)特征階次為8階，兩級齒輪傳動(dòng)的減速器的嚙合階次分別為24階、5.93階。電機(jī)特征階次的高次諧階次(3次、6次等)與一級齒輪的嚙合階次及其高次諧階次重合(2次)、電機(jī)特征階次的高次諧階次(3次、6次)與二級齒輪嚙合階次的高次諧階次(4次、8次等)相接近、一級齒輪嚙合階次和二級齒輪嚙合階次的高次諧階次(4次、8次)相接近，引起了電機(jī)和減速器、減速器自身的振動(dòng)耦合，產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲并伴有低沉的、有節(jié)奏的轟轟聲。

1.2 踏板動(dòng)作時(shí)異響的問題

以車輛加速—?jiǎng)蛩佟苿?dòng)—滑行運(yùn)行工況對踏板動(dòng)作時(shí)的異響進(jìn)行分析研究，運(yùn)行過程中在車輛后排采集到的噪聲數(shù)據(jù)如圖4所示。在松開油門踏板，踩下制動(dòng)踏板及松開制動(dòng)踏板時(shí)均存在較寬頻帶的范圍產(chǎn)生了無規(guī)則的噪聲分布。

圖4 踏板動(dòng)作時(shí)車內(nèi)后排座位右耳側(cè)噪聲

分析了安裝在電機(jī)和減速器上的振動(dòng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 踏板動(dòng)作時(shí)噪聲和振動(dòng)能量分布

在全工況范圍內(nèi)，車內(nèi)噪聲和電機(jī)的振動(dòng)在趨勢上有一定的相關(guān)性。在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，減速器振動(dòng)變化和噪聲的變化有一定的相關(guān)性，受工況變化引起的振動(dòng)尤其明顯。

具體地，在踏板動(dòng)作時(shí)，傳動(dòng)扭矩瞬間突變，由于傳動(dòng)側(cè)隙的存在使傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副間會(huì)產(chǎn)生碰撞和噪聲[4]。判斷該電動(dòng)系統(tǒng)扭矩控制精度低及輪間存在較大的側(cè)隙產(chǎn)生的異響問題。

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化傳動(dòng)輪系

在不改變電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性的前提下，優(yōu)化了輪系配比。優(yōu)化后的一級、二級齒輪的特征階次分別為27、7.6，避開了傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部特征階次以及和電機(jī)特征階次重合及相近的現(xiàn)象，進(jìn)而避免系統(tǒng)的共振及因此而產(chǎn)生的噪聲大和“哄哄”異響的現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化齒形

研究表明，重合度越大不僅可以提高齒輪的承載能力，而且可有效降低輪系噪聲[5]。細(xì)高齒齒輪采用了小模數(shù)、小壓力角、大齒頂高的齒輪參數(shù)。小模數(shù)齒輪不但可以提高端面重合度，且因齒根的減薄可提高輪齒柔性，進(jìn)而更易吸收輪齒的振動(dòng)。小壓力角的齒輪剛度也相應(yīng)減小，齒輪嚙入和嚙出的動(dòng)載荷減小，引起的沖擊振動(dòng)則相應(yīng)減小。齒頂高系數(shù)增大可直接增大輪系重合度。

與原方案采用標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪不同，新設(shè)計(jì)輪選用了小壓力角、小模數(shù)和大齒頂高系數(shù)的細(xì)高齒齒輪設(shè)計(jì)，增大了輪系重合度，以實(shí)現(xiàn)減小輪系噪聲目的。原方案和新輪系配比方案齒輪基本參數(shù)見表1。

表1 輪系基本參數(shù)

2.3 優(yōu)化輪系側(cè)隙

該減速器側(cè)隙包含兩級齒輪副側(cè)隙以及差速器輪系側(cè)隙。為了保證輪系潤滑良好、補(bǔ)償載加工制造偏差、安裝誤差、荷變形、熱變形等因素的影響，須有適當(dāng)?shù)凝X輪側(cè)隙。側(cè)隙過小，會(huì)引起輪系卡滯，齒面磨損;側(cè)隙過大，齒輪嚙合或者反向嚙合時(shí)的碰撞會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲。

差速器內(nèi)部側(cè)隙為0.32、0.29 mm，該側(cè)隙值偏大為減速器工況變化時(shí)產(chǎn)生異響的主要原因。新方案該差速器側(cè)隙分別調(diào)整為0.20、0.19 mm。為了進(jìn)一步降低工況變化時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的撞擊及噪聲，在輪系動(dòng)力傳動(dòng)許可范圍內(nèi)進(jìn)一步收縮了一級、二級輪系的齒間側(cè)隙，較原方案減小12.6%。

3 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化全部完成以后，通過裝車試驗(yàn)對整改效果進(jìn)行檢查。在車內(nèi)明顯感覺到噪聲有大幅降低，且未有異響產(chǎn)生。分別采集了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消除了因特征階次重合或者相近而產(chǎn)生的振動(dòng)耦合，如圖6所示。優(yōu)化后電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全工況內(nèi)噪聲最大為75 dB，較原方案降低了10 dB，電機(jī)和減速器豎直方向上振動(dòng)有效值分別降低了50%和67%。

圖6 優(yōu)化后噪聲及振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)是今后電驅(qū)動(dòng)發(fā)展的主要方向。集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH面臨電機(jī)噪聲振動(dòng)、減速器噪聲振動(dòng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)等問題。在設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中需要綜合考慮電機(jī)噪聲振動(dòng)控制、減速器噪聲振動(dòng)控制、傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)匹配以及控制算法的優(yōu)化等問題。

傳動(dòng)系統(tǒng)中不可避免的側(cè)隙是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要原因。在進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)功能和性能需求進(jìn)而選擇合理的最優(yōu)的側(cè)隙參數(shù)配置。