徐國(guó)祥，徐勇，謝建林，堯舜奇，楊志日

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

0 引言

嘯叫是一種和階次相關(guān)的中高頻噪聲，常見(jiàn)變速箱嘯叫、驅(qū)動(dòng)橋嘯叫。嘯叫源多見(jiàn)于齒輪嚙合傳動(dòng)誤差，即Transmission Error。此類故障的研究多關(guān)注齒輪精度誤差，從齒輪微觀修形、調(diào)整螺旋角、接觸斑點(diǎn)和齒頂修緣等措施來(lái)降低傳動(dòng)誤差，達(dá)到降噪的目的[1]。

噪聲已經(jīng)成為了客戶關(guān)注的重點(diǎn)。變速箱廠家為了提高出廠產(chǎn)品質(zhì)量，引進(jìn)EOL終端NVH檢測(cè)設(shè)備對(duì)變速箱進(jìn)行下線檢測(cè)。通過(guò)EOL和整車的對(duì)標(biāo)，建立EOL下線合格標(biāo)準(zhǔn)，以滿足裝車后不引起整車嘯叫的要求。有些驅(qū)動(dòng)橋廠家也引進(jìn)了橋總成EOL終端NVH檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行下線檢測(cè)，以提高出廠合格率。上面提到的EOL終端檢測(cè)設(shè)備主要檢測(cè)齒輪嚙合故障引起的嘯叫，并未有專門針對(duì)軸承故障的NVH檢測(cè)。

文獻(xiàn)[2]中利用振動(dòng)分析技術(shù)，使用小波包和階次包絡(luò)譜對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷，還有文獻(xiàn)[3]中分析軸承預(yù)緊力對(duì)變速器嘯叫噪聲影響，通過(guò)軸承預(yù)緊力和變速箱體響應(yīng)加速度的關(guān)系，尋找降低振動(dòng)的方法。

文中研究某款四驅(qū)皮卡嘯叫問(wèn)題，嘯叫階次既非變速箱齒輪嚙合階次，也非驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合階次。測(cè)試發(fā)現(xiàn)前驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)異常階次和整車故障階次吻合。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，前驅(qū)動(dòng)橋主齒內(nèi)軸承外環(huán)階次和整車故障階次吻合。為了再現(xiàn)故障，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單臺(tái)架，結(jié)合LMS Test.Lab測(cè)試設(shè)備，檢測(cè)前驅(qū)動(dòng)橋主減速器振動(dòng)，為后續(xù)整改提供有力支持。

1 背景介紹

某四驅(qū)皮卡主觀駕評(píng)存在減速嘯叫，工況為5擋(變速箱速比為1)帶擋滑行，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500～1 500 r/min。在該工況下，對(duì)故障車和正常車進(jìn)行振動(dòng)和噪聲對(duì)比測(cè)試。

使用麥克風(fēng)傳感器識(shí)別駕駛員右耳位置聲音信號(hào)，使用三向振動(dòng)傳感器測(cè)量前后驅(qū)動(dòng)橋本體振動(dòng)信號(hào)，并跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。利用LMS Test.Lab數(shù)采前端采集信號(hào)，使用Signature Testing模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

查看車內(nèi)駕駛員位置聲音信號(hào)瀑布圖，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)存在7.1階噪聲[如圖1(a)所示]。查看前后驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)信號(hào)瀑布圖，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)動(dòng)橋在Y向存在7.1、14.2和21.3階振動(dòng)[如圖2(a)所示]。分析主觀駕評(píng)無(wú)嘯叫車輛的測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)無(wú)7.1階噪聲[如圖1(b)所示]，前驅(qū)動(dòng)橋處無(wú)7.1階振動(dòng)[如圖2(b)所示]。

圖1 嘯叫和正常車的車內(nèi)噪聲測(cè)試對(duì)比

圖2 嘯叫和正常車的前橋本體Y向振動(dòng)測(cè)試對(duì)比

通過(guò)測(cè)試對(duì)比，前驅(qū)動(dòng)橋中振動(dòng)大的階次和故障整車車內(nèi)聲音階次吻合，而正常車輛在前驅(qū)動(dòng)橋和車內(nèi)均沒(méi)有明顯的7.1階振動(dòng)，因此重點(diǎn)懷疑整車嘯叫由前驅(qū)動(dòng)橋總成中的7.1階振動(dòng)大造成。

2 階次計(jì)算

階次分析在旋轉(zhuǎn)件的故障診斷中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[4]中采用階次分析法，在半消聲室變速器NVH臺(tái)架上對(duì)某款變速器進(jìn)行振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，識(shí)別出主要噪聲源來(lái)自于齒輪副的嚙合沖擊。

2.1 齒輪階次

主減速器齒輪的基本階次等于主齒齒數(shù)除以變速箱速比。5擋時(shí)變速箱速比為1，所以前驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪的基本階次等于主齒齒數(shù)11，和故障車的階次并不吻合，排除前驅(qū)動(dòng)橋齒輪故障。

2.2 軸承階次計(jì)算

文獻(xiàn)[5]中指出滾動(dòng)軸承有4種故障頻率：外環(huán)故障頻率、內(nèi)環(huán)故障頻率、滾動(dòng)體故障頻率和保持架故障頻率。將頻率除以轉(zhuǎn)速，得到對(duì)應(yīng)的4種故障階次。其中保持架和滾動(dòng)體故障多屬于軸承后期故障，所以文中著重研究外環(huán)和內(nèi)環(huán)的故障頻率和階次。

驅(qū)動(dòng)橋中所用軸承多為圓錐滾子軸承。這種軸承既可承受徑向載荷也可承受軸向載荷，通常是分離式，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾子和保持架組成。根據(jù)軸承中滾動(dòng)體的列數(shù)分為單列、雙列和四列圓錐滾子軸承。該驅(qū)動(dòng)橋采用單列圓錐滾子軸承。

軸承各部件階次等于部件旋轉(zhuǎn)頻率除以轉(zhuǎn)速，計(jì)算發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪內(nèi)軸承外環(huán)階次和整車測(cè)試的異常階次吻合。懷疑是前驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)齒輪內(nèi)軸承外環(huán)故障。

2.2.1 頻率計(jì)算

軸承旋轉(zhuǎn)頻率計(jì)算涉及到的參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

假定滾動(dòng)體和內(nèi)外環(huán)只有滾動(dòng)而沒(méi)有滑動(dòng)，那么滾動(dòng)體和內(nèi)外環(huán)接觸點(diǎn)處的相對(duì)線速度為零，得到滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)速度與內(nèi)外環(huán)速度關(guān)系：

vm=0.5(vi+vo)

圖3 主齒軸承內(nèi)外環(huán)頻率計(jì)算簡(jiǎn)圖

在上式中代入速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

得到滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

nm=0.5[(1-dcosα/Dm)ni+(1+dcosα/Dm)no]

計(jì)算滾動(dòng)體相對(duì)內(nèi)滾道的相對(duì)轉(zhuǎn)速nmi：

nmi=nm-ni=0.5(no-ni)(1+dcosα/Dm)

計(jì)算滾動(dòng)體相對(duì)外滾道的相對(duì)轉(zhuǎn)速nmo：

nmo=nm-no=0.5(ni-no)(1-dcosα/Dm)

根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系：f=n/60

單個(gè)滾動(dòng)體滾過(guò)內(nèi)環(huán)一點(diǎn)的接觸頻率fmi：

fmi=fm-fi=0.5[(fo-fi)(1+dcosα/Dm)]

單個(gè)滾動(dòng)體滾過(guò)外環(huán)一點(diǎn)的接觸頻率fmo：

fmo=fm-fo=0.5[(fi-fo)(1-dcosα/Dm)]

當(dāng)外環(huán)固定(no=0)時(shí)：

nmi=nm-ni=-0.5ni(1+dcosα/Dm)

nmo=nm-no=0.5ni(1-dcosα/Dm)

fmi=fm-fi=-0.5fi(1+dcosα/Dm)

fmo=fm-fo=0.5fi(1-dcosα/Dm)

當(dāng)內(nèi)環(huán)固定(ni=0)時(shí)：

nmi=nm-ni=0.5no(1+dcosα/Dm)

nmo=nm-no=-0.5no(1-dcosα/Dm)

fmi=fm-fi=0.5fo(1+dcosα/Dm)

fmo=fm-fo=-0.5fo(1-dcosα/Dm)

2.2.2 階次計(jì)算

由階次等于頻率除以轉(zhuǎn)速，滾子個(gè)數(shù)為z可得：

當(dāng)外環(huán)固定(no=0)，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)：

當(dāng)內(nèi)環(huán)固定(ni=0)，外環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)：

文中故障橋軸承按照外環(huán)固定、內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，代入?yún)?shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 軸承故障階次計(jì)算

3 臺(tái)架測(cè)試

此車前驅(qū)動(dòng)橋主減速比為43∶11，5擋下齒輪階次為11，和整車測(cè)試結(jié)果不吻合。為了尋找故障零部件并及時(shí)驗(yàn)證整改效果，結(jié)合LMS Test.Lab振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單臺(tái)架。測(cè)試簡(jiǎn)圖如圖4所示。

前驅(qū)動(dòng)橋在臺(tái)架上的放置模擬整車狀態(tài)。主減速器殼體段橋管自由放在臺(tái)架支撐點(diǎn)上，主減速器殼外軸承上方用壓板固定在臺(tái)架上，兩側(cè)輪邊通過(guò)卡鉗螺栓孔固定在臺(tái)架上。凸緣連接由伺服電機(jī)帶動(dòng)的傳動(dòng)軸。

圖4 測(cè)試臺(tái)架簡(jiǎn)圖

一個(gè)三向PCB振動(dòng)加速度傳感器安裝在主減速器殼體上方，位置和整車測(cè)試一致；Optel光電式脈沖傳感器放置在電機(jī)傳動(dòng)軸靠近主減速器處，用于跟蹤轉(zhuǎn)速。振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示，光電式脈沖傳感器位置如圖6所示。

圖5 振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)位置

圖6 光電式脈沖傳感器

3.1 測(cè)試工況

兩輪邊空載，測(cè)試分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工況。正轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速

為2 200 r/min，反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。無(wú)論正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，都包括加速和減速兩個(gè)階段，分別模擬整車加速和滑行工況。加速工況還包括3段勻速工況，轉(zhuǎn)速分別為800、1 600和2 200 r/min。測(cè)試工況如圖7所示。一個(gè)循環(huán)共140 s。

圖7 前橋臺(tái)架測(cè)試工況

3.2 測(cè)試結(jié)果

使用LMS Test.Lab振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)前驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)處3個(gè)方向的振動(dòng)加速度變化趨勢(shì)和轉(zhuǎn)速有很好的對(duì)應(yīng)性。如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)處加速度變化趨勢(shì)

臺(tái)架測(cè)試結(jié)果和整車測(cè)試結(jié)果吻合。查看加速段振動(dòng)瀑布圖(如圖9所示)，X向和Z向未發(fā)現(xiàn)明顯振動(dòng)，而Y向7階、14階和21階振動(dòng)明顯。從高速段3個(gè)方向7.3階振動(dòng)(如圖10所示)可以看出，在高速段Y向振動(dòng)值明顯大于其他2個(gè)方向的振動(dòng)值。減速段的振動(dòng)瀑布圖情況和加速段一致，如圖11所示。臺(tái)架試驗(yàn)再現(xiàn)了整車故障階次特征，臺(tái)架測(cè)試有效，為后續(xù)整改驗(yàn)證提供了有力支持。從加減速段結(jié)果可以推斷，在加速和減速工況下，都會(huì)存在異響。但加速時(shí)前驅(qū)動(dòng)橋異響容易被發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋，不易識(shí)別。

圖9 測(cè)點(diǎn)處3個(gè)方向加速段的振動(dòng)color map圖

圖10 高速段3個(gè)方向7.3階振動(dòng)加速度

圖11 測(cè)點(diǎn)處3個(gè)方向減速段的振動(dòng)color map圖

4 原因分析及優(yōu)化

4.1 原因分析

經(jīng)計(jì)算，振動(dòng)異常階次和主齒內(nèi)軸承外環(huán)對(duì)應(yīng)。經(jīng)拆解分析，主齒內(nèi)軸承外環(huán)存在缺陷。圖12是故障軸承外環(huán)圖片，可以發(fā)現(xiàn)滾道壁上有多處細(xì)微缺陷。通過(guò)以上分析，確定整車嘯叫由前驅(qū)動(dòng)橋中主齒內(nèi)軸承外環(huán)故障引起。滾動(dòng)體滾過(guò)外環(huán)缺陷處，造成前驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)大。振動(dòng)經(jīng)前橋懸置傳到駕駛室，引起車內(nèi)嘯叫。主齒內(nèi)軸承外環(huán)缺陷如圖12所示。

圖12 主齒內(nèi)軸承外環(huán)缺陷

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)拆解分析結(jié)果，更換主齒內(nèi)軸承，重新裝橋，進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的異常階次消失。更換主齒內(nèi)軸承后的前驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架測(cè)試結(jié)果如圖13所示。將返工的前驅(qū)動(dòng)橋裝原車駕評(píng)，整車故障消失。

圖13 更換主齒內(nèi)軸承后前橋測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

軸承缺陷也是引起整車嘯叫的一個(gè)原因。文中設(shè)計(jì)一種對(duì)環(huán)境噪聲沒(méi)有要求的臺(tái)架，結(jié)合LMS Test.Lab振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，采用階次分析法辨識(shí)出主要振動(dòng)源，并通過(guò)理論計(jì)算找到故障零部件，準(zhǔn)確定位故障零部件，及時(shí)有效地解決了整車嘯叫問(wèn)題。