齿轮调幅调频所引起的室内啸叫噪声分析与控制

姜　雯，郑　军，王弘岩，杨安志

（苏州盖斯特汽车技术有限责任公司，江苏 苏州 215134）



齿轮调幅调频所引起的室内啸叫噪声分析与控制

姜雯，郑军，王弘岩，杨安志

（苏州盖斯特汽车技术有限责任公司，江苏 苏州 215134）

某前置后驱车型在加速过程中室内存在啸叫异响，在特定转速下尤为明显。试验数据显示后主减速器壳体振动和辐射噪声均存在相应的频谱特性。对室内噪声及主减速器壳体的噪声与振动在匀速和加速工况下进行数据采集，采用频谱分析和调制谱分析，确认该啸叫噪声为主减速器齿轮啮合引起的齿轮振动调制现象。该调制以主减速器齿轮啮合频率的高次谐频为载波频率，主减速器主动齿轮轴的转频为调制频率。在一定程度上提高齿轮加工精度可使室内啸叫噪声明显减弱。整个试验分析过程为后期齿轮异响问题排查提供一种新的思路。

声学；调制；阶次；齿轮；啸叫声

乘用车室内的NVH性能是影响驾驶室乘坐舒适性的主要因素。随着生活水平的提高，人们对驾驶室乘坐舒适性有了更高的要求。当前，世界各大汽车制造商已将车内噪声控制作为提升其产品市场竞争力的一种有效途径［1］。

前置后驱汽车动力传动系统一般由发动机、离合器、变速箱、传动轴、后桥、半轴及车轮等组成［2］。其中后桥中的齿轮啮合由于齿形误差、轴不对中、断齿、轴严重弯曲、轴向窜动等故障形式［3］会引起较大的齿轮噪声。

齿轮噪声中包括有与齿轮本体固有频率和啮合频率有关的两种成分，这两种成分中都包含有高次谐波［4］。此外，由于齿轮故障，其振动信号频谱中通常包括有很多调制边频成分。而且不同于单一调幅或者单一调频情况下的对称调制边频带，当调幅调频共同作用时，调制边频带一般都是不对称的［5］。

文中重点讲述某车型后桥锥齿由齿轮非均匀磨损引起的以齿轮啮合频率的高次谐波为载波频率、锥齿主动齿轮轴的转频为调制频率的调幅调频振动现象，从而产生室内明显啸叫声的分析过程及对其进行控制的过程。

1　问题的描述和试验分析过程

某车型三档加速过程中，室内一直存在明显的啸叫噪声，尤其在2 750 r/min左右，啸叫声特别突出，且主观感觉后排相对前排明显。滑行工况下，啸叫异响消失。通过频谱分析，发现该啸叫噪声表现为发动机发火基频的35.1阶。通过单独运转消除法先后对进气系统、排气系统、悬置系统等进行一系列排查后，最终发现在传动系统后主减壳体振动以及主减壳体辐射噪声中出现上述35.1阶特性，如图1所示。

发动机-变速箱-传动系统-半轴的动力传递路径中，均未发现相对应的传动阶次（三档时，发动机到传动轴的变速比为1.41，后桥锥齿齿数为9/37）。

为便于研究该噪声的产生原因，让车辆以三档2 750 r/min匀速行驶，室内啸叫噪声一直明显存在。此时主动锥齿转频为32.6 Hz（f=2 750/1.41/60= 32.6 Hz），锥齿啮合频率为293.4 Hz（f=32.6×9= 293.4）。对室内噪声、主减壳体振动信号采集，发现室内噪声和主减壳体振动频谱图上，啮合频率的5倍谐波1 469 Hz附近均存在间隔为主动锥齿转频32.6 Hz的边频带，如图2所示。同样在主减壳体以1 469 Hz为载波频率的解调谱上，也存在32.6 Hz的调制频率。

车辆以二档3 073 r/min匀速行驶（二档时，发动机到传动轴的变速比为1.81），室内啸叫声也依然突出。此时主动锥齿转频为28.3 Hz（f=3 073/1.81/60= 28.3 Hz），锥齿啮合频率为254.7 Hz（f=28.3×9= 254.7）。室内噪声和主减壳体振动频谱图上，啮合频率的5倍谐波1 273.5 Hz附近均存在间隔为28.3 Hz的边频带，如图2所示。同样，主减壳体1 273.5 Hz为载波频率的解调谱上，也存在28.3 Hz的调制频率，如图3所示。

对整个三档加速工况下的主减壳体振动的35.1阶进行解调分析，解调谱上同样存在着0.71阶左右调制频率，如图4所示。传动速比的倒数即为主动锥齿转频阶次（阶次=1/1.41=0.71），上述解调谱上的调制频率（0.71阶）正与主动锥齿的转频一致。

图1　三档加速工况下各位置cormap图

图2　匀速工况下各位置噪声振动谱图

图3　匀速工况下各位置解调谱

图4　加速工况下主减壳体振动解调谱

对于齿轮啮合频率及其谐频为载波的调制振动的产生，齿轮啮合刚度是一个很重要同时也是一个很复杂的参量。它是研究齿轮动态性能的基础。齿轮的啮合刚度与齿轮传递载荷、载荷分布、齿轮变形、齿轮位置和齿轮重叠系数等相关。齿轮传动中，这些因素使齿轮啮合刚度产生相位变化。而这种变化由于周而复始地运转具有周期性，从而形成齿轮啮合频率调制［6］。

根据这些诊断分析，对主减进行剖机检查，发现两齿轮均发生严重磨损，且主动锥齿轴出现裂纹。由此判断，由于主减齿轮的严重磨损，主动锥齿轴的裂纹导致齿轮啮合振动能量过大，激励起以主动锥齿转频为调制频率的调制振动现象，从而引起了室内啸叫噪声。

2　改善验证

上述诊断确定了啸叫噪声产生的具体原因，现提高齿轮加工精度，更换新齿轮，重新装车后，主观评价加速过程中啸叫噪声明显有所改善，但仍然存在。通过试验数据对比，更换主减后，由于齿轮啮合刚度和调制强度的变化，调幅调频所产生的边频带矢量叠加后，齿轮啮合频率高阶谐频两侧的边频幅值发生无规则变化，使得室内啸叫特性频率变成了发动机发火频率的41.8阶。但啸叫特性频率幅值有很大程度的降低，如图5所示。

图5　更换新齿轮前后室内加速噪声

3　结语

针对室内啸叫噪声问题进行研究，通过频谱分析和调制谱分析，明确其为主减速器齿轮啮合引起的以主减啮合频率高次谐波为载波频率、主动锥齿转频为载波频率的调制现象。整个试验诊断分析过程有助于更清楚地了解齿轮调制故障，也为日后齿轮啸叫问题诊断提供宝贵的经验和思路。同时，也为在齿轮调制调频问题提供一定参考。

［1］朱晓东，沈忠亮，汪一峰.驾驶室低频噪声的声学特性分析与控制［J］.噪声与振动控制，2015，35（1）：145-145.

［2］康强，吴昱东，邓江华，等.前置后驱汽车传动系统的扭振模态分析［J］.噪声与振动控制，2015，35（1）：141-141.

［3］丁康，李魏华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.机械工业出版社，2006：2-13.

［4］朱革，彭东林，张兴红，等.C齿轮振动噪声分析及控制［J］.齿轮设计与加工，2002，（10）：48-48.

［5］丁康，孔正国.振动调幅调频信号的调制边频带分析及其解调方法［J］.振动与冲击，2005，24（6）：9-12+20.

［6］丁康，李魏华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.机械工业出版社，2006：11-16.

Analysis and Control of Interior Whistling Noises Caused by Frequency Modulation of Gears

JIANGWen，ZHENG Jun，WANG Hong-yan，YANG An-zhi

（GastAutomotive Technologies，Co.Ltd.，Suzho 215134，Jiangsu China）

A front-engine rear-wheel drive（FR）car makes whistling noise in the process of acceleration.The whistling noise becomes particularly conspicuous at a certain engine speed.Test data shows that the vibration and radiation noise of the housing of the rear-axle main decelerator have corresponding spectral characteristics.Signals of interior noise and noise vibration of the main decelerator housing in constant speed and acceleration operation conditions are collected respectively. Through the spectral analysis and modulation spectrum analysis，it is found that the whistling noise is resulted from the gear vibration modulation induced by the gear meshing of the main decelerator.This modulation takes the higher-order harmonic frequency of the gear meshing frequency of the main decelerator as the carrier frequency，and the rotating frequency of the driving gear shaft of the main decelerator as the modulation frequency.The interior whistling can be reduced significantly by raising the gear processing precision.The entire test and analysis process presents a new idea for troubleshooting of abnormal gear noises.

acoustics；modulation；order；gear；whistling

O422.6

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.031

1006-1355（2016）04-0148-03

2015-12-23

姜雯（1983-），女，河北省石家庄市人，本科，研究方向为汽车整车NVH诊断、汽车CAE分析。E-mail:575963550@qq.com