某商用车带挡滑行室内异响问题分析与处理

2022-07-14施朝坤刘永宏梁光辉

企业科技与发展 2022年4期

关键词：异响

施朝坤刘永宏梁光辉

【摘要】汽车驾驶室内异响是比较常见的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）问题之一。文章以某商用车带挡滑行时后桥造成的异响问题为研究对象，阐述了商用车后桥异响的产生机理和控制策略，利用整车道路NVH试验、驾驶室声学灵敏度测试（NTF）和阶次分析等手段确定了产生异响的主要声源，通过声源频率定位和后桥实物拆解分析确定后桥主减齿轮为异响根源，并提出对后桥主减齿轮齿形进行优化的问题解决方案。经实车道路试验验证，所采用措施正确有效。

【关键词】异响;齿轮噪声;道路试验;阶次分析

【中图分类号】U463.81 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0076-03

近年来，商用车市场持续快速发展。随着人们生活水平的不断提高和客户群体的年轻化，商用车NVH问题也越来越受到用户关注。如何提高车辆舒适性已成为国内各大主机厂研究的竞争焦点和技术发展方向。随着商用车整车NVH性能的不断提升，商用车NVH问题的关注已从最初的驾驶室和发动机等主要部件逐渐扩展到传动轴、后桥和轮胎等系统及部件级的NVH研究与控制。

本文以某商用车带挡滑行时车内出现的异响问题为例，对汽车后桥齿轮噪声产生的机理和控制方法进行了探讨和总结，并利用整车NVH道路试验、驾驶室传递函数测试分析和后桥结构拆解检测等手段，确定后桥是造成异响的根本原因。最后从控制激励源输入的角度提出解决方案，有效解决了该异响问题，从而为控制后桥齿轮噪声问题提供了一种可借鉴的工程实用方法。

1 齿轮噪声产生机理

1.1 驱动桥结构及工作原理

某重型牵引车发动机布置形式是前置后驱，驱动桥的基本构造包括后桥壳体、主减速器、差速器及半轴等。车辆行驶时，主减速器作為连接传动轴与半轴的纽带，是后桥总成传递动力的主要承担者，主减速器通过准双曲面齿轮实现减速、增矩及传动的功能。其本身齿轮啮合特性决定了主减速器甚至后桥总成的振动噪声水平[1]。

1.2 齿轮噪声产生的机理

一对齿轮啮合时，产生噪声的主要原因是不同程度的齿距、齿形、齿向等误差，再加上外加载荷的变动，在运转过程中会产生啮合冲击而发出与齿轮啮合频率相对应的噪声，齿面之间由于相对滑动也将发生摩擦声。总之，齿轮的动态激励是齿轮产生振动噪声的根本原因。通常齿轮的动态激励包括内部激励和外部激励两部分：由齿轮自身啮合产生的动态激励称为内部激励;由齿轮系统外部如发动机激励、传动轴不平衡激励等引起的激励称为外部激励。

本文主要研究齿轮啮合产生的内部激励。齿轮啮合过程具有非常复杂的非线性系统特征，可以用一个简化的单自由度振动系统模型来模拟齿轮啮合的振动，利用该模型可以推导出齿轮啮合的动力学性能及其内部激励构成，如公式（1）所示[2]：

其中，M为啮合线方向上的等效质量;C为啮合阻尼;K为平均啮合静态刚度;x为相对位移;x为平均静态相对位移;■为相对速度;■为相对加速度;△K为啮合动态刚度;△x为啮合动态相对位移;Et为啮合误差，随时间而变化。

通过公式（1）得知齿轮啮合系统的内部激励主要由以下3个部分构成：公式（1）中右边第一项含有误差系数，为误差激励，是齿轮啮合频率噪声的主要原因;第二项含有时变啮合刚度的可变部分，为刚度激励;第三项则为误差和啮合刚度变化同时存在，为啮合冲击激励。

齿轮振动噪声是由节线冲击振动引起的，齿轮每啮合一次将会出现一次节线冲击，其频率特性主要表现为回转频率、啮合频率、固有频率及其谐波。固有频率由齿轮自身特性决定，齿轮回转频率f0和齿轮啮合频率fn可以通过公式（2）、公式（3）计算得出：

其中，n为主动轮转速，单位为r/min;Z1为主动轮齿数。

1.3 齿轮噪声的控制策略

影响齿轮噪声的因素很多，制定降噪措施主要从减少齿轮系统的动态激励、提高齿轮加工精度及控制安装误差等方面考虑。目前常用的降低齿轮噪声的方法如下[3]：①优化齿轮参数。齿轮的刚性一般随着模数的增大而增强，噪声则随模数的增大而降低。当传动比和中心距固定时，其重合度则随着模数的增大而减少，对降低噪声不利。而齿数越多，重合度越大，传动越平稳，越有利于降低噪声。模数和齿数都对啮合系统的自振频率有影响，设计时应综合考虑。齿轮啮合误差在精度等级相同时将随着模数的增大而增大，故应优先选用小模数。②优化齿轮齿形。当齿轮啮合时轮齿发生弯曲变形，同时由于齿轮本身具有齿形误差和齿距误差，将导致齿轮啮合时产生瞬时冲击，产生振动和噪声。因此，为了减少齿轮在啮合时由于齿顶凸出而造成的啮合冲击，可以通过优化齿形，提高齿轮的承载能力和啮合精度，减小齿轮受载变形，使齿轮受力均匀而圆滑地传动，减小齿轮动态激励。③提高齿轮加工精度。齿形误差、齿距误差及齿向误差等对齿轮噪声影响很大，减小这些误差是降低齿轮噪声非常有效的方法，同时提高齿轮加工精度可以减小齿面粗糙度，齿面粗糙度也是影响噪声的重要因素，粗糙度越大，齿轮传动时摩擦力就越大，噪声越大，齿面磨损也越快。改善齿面的润滑条件，也可以减小齿轮噪声。④采用阻尼减振降噪材料。在减速器壳的内表面附加辅助振件，两者之间的狭小空间内保持一层很薄的流体，从而形成薄膜阻尼。当桥壳以一定的频率振动时，桥壳表面的振动快速地泵动流体层并使之运动，流体的黏性损耗使桥壳的振动能量得到损耗，因此振动能量会降低，振动产生的噪声也就相应减小[4]。

2 带挡滑行后桥异响案例分析

2.1 问题描述

根据市场客户反馈，某重型6×4牵引车重载带挡滑行时室内出现严重的“嗡嗡嗡”异响声，其中行驶至车速70 km/h左右最为明显，严重影响乘客舒适性，不可接受，要求对该问题进行分析整改。

2.2 试验分析

为了准确识别造成带挡滑行异响的噪声源，针对该车型进行了详细的整车重载道路NVH频频试验、驾驶室总成传递函数测试（NTF）及后桥主减结构拆解检查等测试分析工作[5]。主要实测数据及分析结果如下。

（1）如图1所示，在12挡滑行工况下，驾驶员右耳存在明显的11.5阶噪声峰值，其中在70 km/h（发动机转速为1 120 r/min）车速下噪声最大，峰值频率为215Hz。由于异响频谱存在明显的阶次噪声，因此可以判定该问题是汽车旋转部件引起的噪声问题。

（2）如图2所示，12挡滑行后桥近场噪声同样存在明显的11.5阶峰值噪声，峰值频率为215 Hz，和室内噪声阶次完全对应;同时通过驾驶室总成悬置传递函数（VTF）测试分析得知：驾驶室4个悬置的传递函数在215 Hz附近并无明显峰值，据此判定异响不是由车身钣金共振所引起，从而进一步确认异响是由汽车旋转部件所导致，因此需要进一步确认产生异响的零部件。

（3）车辆分别采用11挡和12挡滑行进行主观测评和频谱分析时发现：车辆在70 km/h车速时存在明显异响噪声，频率均为215 Hz，并且该频率只与车速强相关，与发动机转速和变速箱挡位无关，因此可以进一步排除发动机和变速箱的影响。分析结果见表1。

（4）通过分析，排除驾驶室、发动机和变速箱的影响后，整车与车速相关的旋转部件主要有传动轴、主减速器和轮胎，因此对这些部件的旋转频率进行计算分析。对于传动轴和轮胎来说，其激振能量主要集中在1阶和2阶频率。当12挡行驶时，变速箱的速比是0.78，在异响最明显车速（70 km/h）下发动机转速为1 120 r/min，因此传动轴的1阶频率为1 120/（0.78×60）=23.9 Hz，2階频率为23.9×2=47.8 Hz;后桥速比为4.111，轮胎的1阶频率为1 120/（0.78×4.111×60）=5.82 Hz，2阶频率为5.82×2=11.64 Hz。通过阶次计算，传动轴和轮胎的旋转频率均和异响频率不一致，据此排除传动轴和轮胎作为异响根源的可能。

后桥主减速器主动齿轮的齿数为9齿，12挡70 km/h行驶时，发动机转速为1 120 r/min，主减齿轮啮合阶次为9/0.78=11.5阶，啮合频率为（1 120×9）/（0.78×60）=215 Hz该频率和计算与异响噪声的频率和阶次完全一致，同时在异响频率下后桥近场的噪声最大，因此可以确认主减速器为驾驶室内异响噪声的根源。

2.3 主减速器拆解分析

为了进一步确认后桥主减齿轮的问题，进而对后桥主减结构进行拆解分析发现：产生异响的主减齿轮正齿面和负齿面均存在多处刀痕过深、粗糙度差和起毛等制造加工问题，齿轮齿面的质量缺陷直接导致啮合齿廓偏离理论的理想啮合位置，破坏了齿轮正确的啮合方式，导致齿轮的冲击和碰撞，产生齿轮误差激励，从而产生齿轮噪声问题。

经综合分析整车实验数据分析结果和后桥主减结构拆解分析结果得知，后桥主减齿轮是造成带挡滑行室内异响的根本原因。

3 问题解决方案与效果验证

3.1 解决方案

根据齿轮噪声产生的机理和控制策略，该重型牵引车异响问题的原因是后桥主减齿轮加工精度不够、齿面起伏不平、啮合产生误差激励。因此，降低齿轮噪声的首要措施是提高齿轮加工精度或是优化齿轮的齿形。经综合考虑整改效果、加工工艺、整改成本及齿轮承载能力等多方面因素，最终选择优化主减齿轮齿形作为解决方案。

3.2 效果验证

通过优化后桥主减齿轮的齿形后，优化样件重新装车再进行道路NVH试验和异响评价验证，试验工况与优化前相同，测试结果如图3所示。

如图3所示，在12挡滑行工况下，主减啮合11.5阶次噪声明显降低，在发动机1 200 r/min转速下噪声降低13.4 dB（A）;驾驶员耳旁噪声总值降低了8.3 dB（A），主观测评带挡滑行异响消除，室内异响问题得到彻底解决。

4 结论

本文所用整车NVH试验、传递函数测试分析及实际结构拆解与主观评价相结合的方法能对驾驶室内异响问题进行有效识别并准确确定问题根源，在商用车NVH领域有一定的参考借鉴意义和工程应用价值。

基于所面对的具体异响问题提出的对后桥主减齿轮齿形进行优化的问题解决方案，经实车道路试验验证，该方案有效地解决了某商用车后桥导致的驾驶室内异响噪声问题，从而改善了车辆整体驾乘舒适性，减少了顾客抱怨，提高了产品的市场竞争力。