楊劍 馬紅陽

東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院 武漢 430057

1 引言

現(xiàn)今，中國全面建成小康社會，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，生活水平顯著提高，汽車也成為家家戶戶必備的生活工具。隨著人們對物質(zhì)要求的逐漸提高，消費者對汽車舒適性的要求將越來越高，尤其是對汽車NVH（Noise噪聲、Vibration振動、Harshness聲振粗糙度）性能的要求也逐年提高。

引起汽車異響的原因有很多，因為一輛汽車是由數(shù)萬個零部件組成的異常復(fù)雜的系統(tǒng)，汽車在各種復(fù)雜的情況下運轉(zhuǎn)，存在著零件的磨損、腐蝕、疲勞及變形。零件的磨損，使得它的尺寸、形狀和表面質(zhì)量發(fā)生了變化，改變了零件原有的配合特性；零件的變形，有可能使得零件產(chǎn)生彎曲、扭曲、撓曲等機(jī)械損傷，進(jìn)而受損零件在交變載荷的作用下，因材料的疲勞而產(chǎn)生破裂和折斷，造成汽車的各種異響[1]。

2 現(xiàn)狀評價

某新近開發(fā)的輕卡車型在4、5擋行駛至60～90 km/h時，在駕駛室內(nèi)能明顯聽到“嗚嗚”聲從后橋處傳來，松開油門后異音會消失，反復(fù)加減速時該異音尤其明顯。經(jīng)主觀評價后初步判斷該異音來自于后橋主減速器處。

經(jīng)過對樣車后橋主減速器的拆解，并未發(fā)現(xiàn)主減速器處齒輪有磨損等異常表現(xiàn)，更換新的傳動軸及主減速器后重新上路試車，發(fā)現(xiàn)在相同工況下該異音仍然存在。說明該異音不是由于零部件故障所造成的。為摸清楚故障原因，安排了與之相關(guān)聯(lián)的振動噪聲測試。

3 現(xiàn)狀測試

為把握現(xiàn)狀，在駕駛員右耳位置布置傳聲器，采集典型工況的噪聲（如圖1）；在主減速器處布置一個傳聲器（如圖2）；在主減速器后橋鼻頭處布置一個振動傳感器（如圖3）。結(jié)合異音發(fā)生的工況，制定了4個試驗工況：4擋60 km/h急加速至90 km/h，5擋60 km/h急加速至90 km/h，4擋75 km/h勻速，5擋80 km/h勻速。

圖1 主駕右耳傳聲器

圖2 后橋傳聲器

圖3 后橋振動傳感器

如圖4為5擋勻速80 km/h時主駕右耳噪聲及主減速器振動頻譜圖，圖中振動及噪聲在340 Hz處均存在較大峰值，該頻率疑似為異音的來源。添加320～360 Hz帶阻濾波器回放噪聲，異音明顯減小，可以確定異音頻率在340 Hz左右。

圖4 5擋勻速振動噪聲頻譜圖

一對齒輪在嚙合傳動時，由于存在齒輪嚙合間隙，會產(chǎn)生嚙合振動。當(dāng)變速箱一軸常嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速一定時，變速箱內(nèi)的每一個齒輪的嚙合頻率是不變的[3]。

設(shè)變速箱一軸常嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速為n，r/min；齒數(shù)為z，i為變速箱速比；則齒輪的嚙合頻率為：

由于該車在5擋80 km/h時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約為2 700 r/ min，主減速器主動端齒數(shù)為6，5擋變速箱速比為0.779。因此，由式（1）計算得出主減速器的齒輪嚙合頻率f齒輪=346 Hz，與異音頻率吻合。

同樣，在4擋勻速75 km/h試驗工況時，主駕右耳噪聲及主減速器振動頻譜圖如圖5所示。圖中可以看到在330 Hz左右振動噪聲有明顯的峰值，由于4擋75 km/h時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約為3 300 r/ m in，主減速器主動端齒數(shù)為6，4擋變速箱為直接擋（速比為1），因此在該工況時主減速器的齒輪嚙合頻率f齒輪=330 Hz。由于在這兩種工況下發(fā)現(xiàn)異音頻率與主減速器的嚙合頻率相吻合，因此可以判定行駛時異音來自于主減速器。

圖5 4擋勻速振動噪聲頻譜圖

兩個勻速工況下出現(xiàn)的異常頻率均與主減速器振動頻率相一致，說明駕駛室內(nèi)聽到的異音是由主減速器振動引起的結(jié)構(gòu)聲。

如圖6和圖7分別為4、5擋勻速行駛時主駕右耳colormap圖，圖6在320 Hz左右和圖7在340 Hz左右皆有一條明顯的軌跡線，經(jīng)回放確認(rèn)為異音軌跡。

圖6 4擋勻速噪聲彩圖

圖7 5擋勻速噪聲彩圖

由于主減速器經(jīng)拆裝后檢查并未發(fā)現(xiàn)有異常的磨損現(xiàn)象，說明異音來自于主減速器的齒輪嚙合而產(chǎn)生的噪聲。齒輪噪聲中包含有齒輪本體固有頻率和嚙合頻率（往往伴有上、下邊頻）有關(guān)的兩種成分。這兩種成分中包含有高次諧波，通常到三次諧波。前者是由齒輪嚙合沖擊激發(fā)的齒輪本身的固有振動噪聲，這種噪聲在無負(fù)載時尤為明顯；后者產(chǎn)生的噪聲為齒輪的加速度噪聲。它是由于輪齒在齒輪嚙合點產(chǎn)生很大的加速度，從而輻射出噪聲。即由于齒面間存在有摩擦力，相對滑動速度在節(jié)點突然換向，導(dǎo)致齒面間的相對摩擦力的方向突然改變，從而產(chǎn)生了脈沖力。

節(jié)點處的脈沖力又稱為“節(jié)線沖力”，其大小及持續(xù)時間與齒輪間的傳遞力、齒面間的摩擦系數(shù)以及相對滑動速度的大小有關(guān)；再加上輪齒的彈性變形、制造和安裝誤差等因素存在，有可能形成“頂刃嚙合”，即當(dāng)被動輪齒距或基節(jié)大于公稱值時，將在被動輪齒頂發(fā)生頂刃嚙合；而當(dāng)被動輪齒距或基節(jié)小于公稱值時，將在被動輪齒根發(fā)生頂刃嚙合，以致產(chǎn)生“嚙合沖力”，導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生[2]。這種嚙合頻率成分的噪聲在齒輪噪聲中的占比較大。

總之，嚙合頻率產(chǎn)生的噪聲主要與齒輪的轉(zhuǎn)速、齒輪總的誤差（包括安裝誤差和制造誤差）以及齒輪加載后的變形有關(guān)。

為了進(jìn)一步地分析該噪聲是由主減速器與傳動軸嚙合時所產(chǎn)生的還是由于其他原因造成的，首先對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析。

4 階次分析

階次分析是用于分析旋轉(zhuǎn)運動部件故障的重要方法，用角度間隔采樣將非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為不受其影響的平穩(wěn)信號，并含階次信息。在旋轉(zhuǎn)和往復(fù)式機(jī)械中，載荷的變動和運動部件的缺陷會引起振動，并相應(yīng)的有輻射噪聲。振動的形態(tài)與機(jī)械運動及靜止部件的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。研究旋轉(zhuǎn)部件時，定義參考軸轉(zhuǎn)頻為基頻（1階），其他軸或部件頻率為參考軸頻率的倍數(shù)，稱為階次。階次、頻率以及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

式中，f為階次頻率，Hz；OOrder為階次；n表示旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

階次分析是一個將頻譜及時間歷程與旋轉(zhuǎn)部件的RPM關(guān)聯(lián)起來的工具，揭示振動與噪聲機(jī)理。

利用LMS Test.Lab數(shù)采設(shè)備對主駕右耳噪聲及主減速器鼻頭處振動進(jìn)行采樣和分析，對采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到各組試驗的瀑布圖如圖8、圖9所示。4擋急加速工況瀑布圖中表現(xiàn)出明顯的階次特征是2、4、6階，經(jīng)分析2、4階為發(fā)動機(jī)噪聲。由于該車4擋變速箱速比為1，以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)1/1=1階是傳動軸一階旋轉(zhuǎn)，而傳動軸與主減速器齒輪嚙合主動端齒數(shù)為6齒，因此1×6=6階次是傳動軸齒輪嚙合階次頻率。5擋急加速工況瀑布圖中表現(xiàn)的階次特征為2、4、7.7階，同樣2、4階次為發(fā)動機(jī)本體噪聲。由于該車5擋速比為0.779，以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)1/0.779=1.28階是傳動軸一階旋轉(zhuǎn)，而傳動軸與主減速器齒輪嚙合主動端齒數(shù)為6齒，因此6×1.28≈7.7階次是傳動軸齒輪嚙合階次頻率。4、5擋主駕右耳噪聲均表現(xiàn)出傳動軸嚙合階次頻率。由此，可確定異音來源于主減速器與傳動軸嚙合異常所引起的。

圖8 4擋急加速瀑布圖

5 方案驗證

由于對主減速器拆裝后并未發(fā)現(xiàn)其齒輪有磨損缺齒等現(xiàn)象，異音在加速過程中較明顯是因為輸出力矩陡然增加，而齒輪嚙合存在間隙，此時齒輪間激勵增大，容易產(chǎn)生嘯叫聲。通過對齒輪進(jìn)行修形提高加工精度后安裝至試驗樣車上，主觀感受異音基本消失。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（如圖10、11），采用齒輪修形的方案提高齒輪加工精度。在對齒輪加工精度加以提高后，再通過階次切片圖能明顯看到主減速器處振動減小，說明方案有效。

圖11 4擋急加速時階次切片頻譜圖

圖10 5擋急加速時階次切片頻譜圖

6 總結(jié)

本文通過階次分析方法，推斷出主減速器與傳動軸的嚙合和加速異音有著很強(qiáng)的相關(guān)性。結(jié)合拆裝及試驗結(jié)果，分析出齒輪嚙合間隙過大導(dǎo)致急加速時力矩增大引起齒輪間的激勵增大而產(chǎn)生嘯音。通過齒輪修形提高齒輪加工精度，最終問題得以解決。