施朝坤 劉永宏 梁光輝

【摘 要】汽車駕駛室內(nèi)異響是比較常見的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）問題之一。文章以某商用車帶擋滑行時后橋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)生機理和控制策略，利用整車道路NVH試驗、駕駛室聲學靈敏度測試（NTF）和階次分析等手段確定了產(chǎn)生異響的主要聲源，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，并提出對后橋主減齒輪齒形進行優(yōu)化的問題解決方案。經(jīng)實車道路試驗驗證，所采用措施正確有效。

【關(guān)鍵詞】異響;齒輪噪聲;道路試驗;階次分析

【中圖分類號】U463.81 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0076-03

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問題也越來越受到用戶關(guān)注。如何提高車輛舒適性已成為國內(nèi)各大主機廠研究的競爭焦點和技術(shù)發(fā)展方向。隨著商用車整車NVH性能的不斷提升，商用車NVH問題的關(guān)注已從最初的駕駛室和發(fā)動機等主要部件逐漸擴展到傳動軸、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)生的機理和控制方法進行了探討和總結(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)拆解檢測等手段，確定后橋是造成異響的根本原因。最后從控制激勵源輸入的角度提出解決方案，有效解決了該異響問題，從而為控制后橋齒輪噪聲問題提供了一種可借鑒的工程實用方法。

1 齒輪噪聲產(chǎn)生機理

1.1 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)及工作原理

某重型牽引車發(fā)動機布置形式是前置后驅(qū)，驅(qū)動橋的基本構(gòu)造包括后橋殼體、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者，主減速器通過準雙曲面齒輪實現(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]。

1.2 齒輪噪聲產(chǎn)生的機理

一對齒輪嚙合時，產(chǎn)生噪聲的主要原因是不同程度的齒距、齒形、齒向等誤差，再加上外加載荷的變動，在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生嚙合沖擊而發(fā)出與齒輪嚙合頻率相對應(yīng)的噪聲，齒面之間由于相對滑動也將發(fā)生摩擦聲?？傊?，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)激勵包括內(nèi)部激勵和外部激勵兩部分：由齒輪自身嚙合產(chǎn)生的動態(tài)激勵稱為內(nèi)部激勵;由齒輪系統(tǒng)外部如發(fā)動機激勵、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，可以用一個簡化的單自由度振動系統(tǒng)模型來模擬齒輪嚙合的振動，利用該模型可以推導出齒輪嚙合的動力學性能及其內(nèi)部激勵構(gòu)成，如公式（1）所示[2]：

其中，M為嚙合線方向上的等效質(zhì)量;C為嚙合阻尼;K為平均嚙合靜態(tài)剛度;x為相對位移;x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，隨時間而變化。

通過公式（1）得知齒輪嚙合系統(tǒng)的內(nèi)部激勵主要由以下3個部分構(gòu)成：公式（1）中右邊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;第三項則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)線沖擊振動引起的，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f0和齒輪嚙合頻率fn可以通過公式（2）、公式（3）計算得出：

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如下[3]：①優(yōu)化齒輪參數(shù)。齒輪的剛性一般隨著模數(shù)的增大而增強，噪聲則隨模數(shù)的增大而降低。當傳動比和中心距固定時，其重合度則隨著模數(shù)的增大而減少，對降低噪聲不利。而齒數(shù)越多，重合度越大，傳動越平穩(wěn)，越有利于降低噪聲。模數(shù)和齒數(shù)都對嚙合系統(tǒng)的自振頻率有影響，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。齒輪嚙合誤差在精度等級相同時將隨著模數(shù)的增大而增大，故應(yīng)優(yōu)先選用小模數(shù)。②優(yōu)化齒輪齒形。當齒輪嚙合時輪齒發(fā)生彎曲變形，同時由于齒輪本身具有齒形誤差和齒距誤差，將導致齒輪嚙合時產(chǎn)生瞬時沖擊，產(chǎn)生振動和噪聲。因此，為了減少齒輪在嚙合時由于齒頂凸出而造成的嚙合沖擊，可以通過優(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非常有效的方法，同時提高齒輪加工精度可以減小齒面粗糙度，齒面粗糙度也是影響噪聲的重要因素，粗糙度越大，齒輪傳動時摩擦力就越大，噪聲越大，齒面磨損也越快。改善齒面的潤滑條件，也可以減小齒輪噪聲。④采用阻尼減振降噪材料。在減速器殼的內(nèi)表面附加輔助振件，兩者之間的狹小空間內(nèi)保持一層很薄的流體，從而形成薄膜阻尼。當橋殼以一定的頻率振動時，橋殼表面的振動快速地泵動流體層并使之運動，流體的黏性損耗使橋殼的振動能量得到損耗，因此振動能量會降低，振動產(chǎn)生的噪聲也就相應(yīng)減小[4]。

2 帶擋滑行后橋異響案例分析

2.1 問題描述

根據(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)嚴重的“嗡嗡嗡”異響聲，其中行駛至車速70 km/h左右最為明顯，嚴重影響乘客舒適性，不可接受，要求對該問題進行分析整改。

2.2 試驗分析

為了準確識別造成帶擋滑行異響的噪聲源，針對該車型進行了詳細的整車重載道路NVH頻頻試驗、駕駛室總成傳遞函數(shù)測試（NTF）及后橋主減結(jié)構(gòu)拆解檢查等測試分析工作[5]。主要實測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下。

（1）如圖1所示，在12擋滑行工況下，駕駛員右耳存在明顯的11.5階噪聲峰值，其中在70 km/h（發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 120 r/min）車速下噪聲最大，峰值頻率為215Hz。由于異響頻譜存在明顯的階次噪聲，因此可以判定該問題是汽車旋轉(zhuǎn)部件引起的噪聲問題。

（2）如圖2所示，12擋滑行后橋近場噪聲同樣存在明顯的11.5階峰值噪聲，峰值頻率為215 Hz，和室內(nèi)噪聲階次完全對應(yīng);同時通過駕駛室總成懸置傳遞函數(shù)（VTF）測試分析得知：駕駛室4個懸置的傳遞函數(shù)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，從而進一步確認異響是由汽車旋轉(zhuǎn)部件所導致，因此需要進一步確認產(chǎn)生異響的零部件。

（3）車輛分別采用11擋和12擋滑行進行主觀測評和頻譜分析時發(fā)現(xiàn)：車輛在70 km/h車速時存在明顯異響噪聲，頻率均為215 Hz，并且該頻率只與車速強相關(guān)，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變速箱擋位無關(guān)，因此可以進一步排除發(fā)動機和變速箱的影響。分析結(jié)果見表1。

（4）通過分析，排除駕駛室、發(fā)動機和變速箱的影響后，整車與車速相關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件主要有傳動軸、主減速器和輪胎，因此對這些部件的旋轉(zhuǎn)頻率進行計算分析。對于傳動軸和輪胎來說，其激振能量主要集中在1階和2階頻率。當12擋行駛時，變速箱的速比是0.78，在異響最明顯車速（70 km/h）下發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 120 r/min，因此傳動軸的1階頻率為1 120/（0.78×60）=23.9 Hz，2階頻率為23.9×2=47.8 Hz;后橋速比為4.111，輪胎的1階頻率為1 120/（0.78×4.111×60）=5.82 Hz，2階頻率為5.82×2=11.64 Hz。通過階次計算，傳動軸和輪胎的旋轉(zhuǎn)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該頻率和計算與異響噪聲的頻率和階次完全一致，同時在異響頻率下后橋近場的噪聲最大，因此可以確認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

為了進一步確認后橋主減齒輪的問題，進而對后橋主減結(jié)構(gòu)進行拆解分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生異響的主減齒輪正齒面和負齒面均存在多處刀痕過深、粗糙度差和起毛等制造加工問題，齒輪齒面的質(zhì)量缺陷直接導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)生齒輪噪聲問題。

經(jīng)綜合分析整車實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果和后橋主減結(jié)構(gòu)拆解分析結(jié)果得知，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)生的機理和控制策略，該重型牽引車異響問題的原因是后橋主減齒輪加工精度不夠、齒面起伏不平、嚙合產(chǎn)生誤差激勵。因此，降低齒輪噪聲的首要措施是提高齒輪加工精度或是優(yōu)化齒輪的齒形。經(jīng)綜合考慮整改效果、加工工藝、整改成本及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

通過優(yōu)化后橋主減齒輪的齒形后，優(yōu)化樣件重新裝車再進行道路NVH試驗和異響評價驗證，試驗工況與優(yōu)化前相同，測試結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，在12擋滑行工況下，主減嚙合11.5階次噪聲明顯降低，在發(fā)動機1 200 r/min轉(zhuǎn)速下噪聲降低13.4 dB（A）;駕駛員耳旁噪聲總值降低了8.3 dB（A），主觀測評帶擋滑行異響消除，室內(nèi)異響問題得到徹底解決。

4 結(jié)論

本文所用整車NVH試驗、傳遞函數(shù)測試分析及實際結(jié)構(gòu)拆解與主觀評價相結(jié)合的方法能對駕駛室內(nèi)異響問題進行有效識別并準確確定問題根源，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。

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行優(yōu)化的問題解決方案，經(jīng)實車道路試驗驗證，該方案有效地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。

參 考 文 獻

[1]郭慧燾.某輕型載貨汽車后橋異響機理與改進分析[D].長春：吉林大學，2012.

[2]錢汪燾.汽車驅(qū)動后橋NVH分析及優(yōu)化[D].長沙：湖南大學，2014.

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[4]胡磊，付暢，周君，等.汽車驅(qū)動橋噪聲分析及控制研究[J].公路與汽運，2007，21（6）：12-14.

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42，45.