客車驅動橋振動與噪聲研究

馬洪濤，唐正義，楊清（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

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客車驅動橋振動與噪聲研究

馬洪濤，唐正義，楊清
（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

摘要：驅動橋是客車動力傳動系統的重要環節，其振動、噪聲水平對整車NVH性能的影響至關重要。文章通過驅動橋振動噪聲機理研究，并結合噪聲故障測試分析，得出了導致驅動橋噪聲問題的根本原因。最后，根據研究結果提出相應的處理方案并有效地解決了噪聲故障。

關鍵詞：驅動橋；準雙曲面齒輪；嚙合沖擊；傳遞路徑；共振

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U472.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-57-02

前言

驅動橋噪聲是影響客車NVH性能的重要因素。在整車噪聲中，發動機噪聲因聲壓高占主要地位，但頻帶低、諧音重，對人耳刺激較輕。驅動橋噪聲頻譜具有明顯的“梳形”特征，人耳可清晰地將其分辨出來，并在“人耳”這一主觀性較強的“濾波器”作用下，其噪聲被“刻意”放大。據統計，驅動橋噪聲常見的音色為低沉的“嗯嗯聲”。但在個別工況（如滑行、換擋）會表現為尖銳的嘯叫聲，音色為“嗷嗷聲”，從而嚴重降低整車NVH性能。據售后噪聲故障統計，嘯叫聲占驅動橋噪聲故障的80％以上。

1、驅動橋振動噪聲激勵源分析

1.1準雙曲面齒輪

客車驅動橋齒輪普遍采用準雙曲面齒輪，具有重合度高、傳遞力矩大、平穩性好等優點。但該齒輪曲面方程復雜，加工工藝難度大，對裝配精度要求較高。在裝配誤差與輪齒受載變形的影響下，易出現齒面邊緣接觸應力集中現象，嚴重影響齒輪副疲勞壽命。因此，實際加工時均采取齒面修形（圖1），使接觸區向齒面內部轉移。受限于加工設備及工藝條件，目前國內基本采用拋物線修形。

圖1

齒面修形有效地解決了齒面邊緣應力集中問題，提高了齒輪副的疲勞壽命。但造成齒輪副失配量大、傳動誤差增加，導致驅動橋齒輪在傳動過程中產生嚙入沖擊，最終引起振動、噪聲問題。

1.2齒輪嚙入沖擊

目前，國內驅動橋齒輪均采用拋物線修形工藝，這將導致齒輪嚙合時存在傳動誤差。研究指出，齒輪修形將導致線外嚙合，即主、被動齒輪在進入嚙合的瞬間存在法向速度差，進而產生嚙入沖擊。這種問題不僅發生在輕載工況，即使加載后，嚙入點擴展到齒廓邊緣，沖擊問題依然存在。

圖2　驅動橋噪聲頻譜示例

在測試中發現，驅動橋噪聲信號中含有大量齒輪嚙合頻率的高階諧頻成分（圖2）。根據振動理論可知，只有沖擊性的周期信號才能產生高階諧頻分量。因此，噪聲頻譜可間接證明齒輪嚙合時存在較強的沖擊信號。

2、驅動橋振動噪聲傳遞路徑分析

齒輪噪聲是驅動橋噪聲的內在形式，根據其傳遞路徑的特點可分為結構噪聲和空氣噪聲。對驅動橋而言，結構噪聲占主導地位，其傳遞路徑為：齒輪（軸）→軸承→殼體。從振動學角度來看，傳遞路徑可等效為一個“濾波器”。因此，驅動橋噪聲是內部齒輪噪聲經過驅動橋機械結構過濾后的噪聲。換而言之，驅動橋噪聲的頻譜特性是由齒輪嚙合沖擊與傳遞路徑共同決定的。因此，驅動橋機械機構的頻響特性對驅動橋噪聲的影響不容忽視。

3、驅動橋售后噪聲案例測試與分析

下面以某型號客車驅動橋的售后噪聲測試記錄為例，通過不同工況下噪聲的頻域對比，分析了驅動橋齒輪及驅動橋頻響特性對噪聲的影響。

3.1驅動橋頻響特性對噪聲的影響

首先，通過敲擊模態測試，得到驅動橋的頻響曲線（圖3）。

圖3　故障驅動橋頻響特性曲線

隨后，對樣車進行典型工況下的噪聲測試，聲級計放置在驅動橋上方乘客區，噪聲頻譜采用A級權。在圖4可以看到，車速40km/h（雙點劃線）與90km/h（虛線）時，在聲音頻譜中驅動橋齒輪嚙合頻率及其諧頻的幅值并不凸出，噪聲能量在整個頻帶范圍分布均勻。此時，人耳感覺噪聲柔和（嗯嗯聲），屬于可接受范疇。

但是，車速50km/h（細實線）時驅動橋齒輪的一階頻率分量，即圖4中孤立、高聳的音頻分量，明顯高于其他音頻分量。此時可聽到刺耳的“嗷嗷聲”，并伴隨地板的劇烈抖動。另外，對聲音信號進行低通濾波處理，確定“嗷嗷聲”正是由該頻率分量引起。

研究指出，隨著車速的增加，齒輪激勵能量隨之增加。但在橋殼頻響特性的影響下，車速50km/h時噪音反而明顯高于車速90km/h。綜合橋殼頻響曲線與噪音頻譜特征可知，車速50km/h時存在明顯的單模態共振。

綜合以上分析可知，造成驅動橋嚴重噪聲問題的原因在于驅動橋齒輪激勵頻率（含諧頻）與驅動橋固有頻率重疊，在齒輪副嚙入沖擊的激勵下，引發強烈的單模態共振或多模態共振所致。

圖4　不同工況下，車內噪聲頻譜分析

3.2齒輪嚙合沖擊對噪聲的影響

根據分析結果，對噪聲故障的驅動橋進行主減速器齒輪副參數改進與優化，對嚙合沖擊與傳動誤差進行了精確控制。

圖5　更換前后50km/h時車內噪聲對比

最后，對更換主減齒輪副的驅動橋重新進行噪聲測試。通過，更換前、后的噪聲測試結果對比可知（圖5），更換齒輪副后（點劃線）的驅動橋噪聲柔和，分貝值明顯比更換前低（細實線）。

4、結束語

（1）驅動橋噪聲的優劣主要在于頻譜特性，即音色。進一步講，噪音頻譜特性是由主減速器齒輪副嚙合沖擊與驅動橋頻響特性共同決定；

（2）驅動橋尖銳的嘯叫聲是由主減速器齒輪副嚙合沖擊激勵引發驅動橋產生結構共振所致；

（3）優化主減速器齒輪副的齒面參數，降低嚙合沖擊與傳動誤差，可有效地降低驅動橋噪聲。

參考文獻

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Study on the Vibration and Noise of Passenger Car Drive Axle

Ma Hongtao, Tang Zhengyi, Yang Qing
( Shaanxi HanDe Axle Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710201 )

Abstract:Drive axle is the important participation of the drive train for passenger car, its vibration & noise level affect the entirety NVH performance.This paper findout the primary reason of drive axle noise by vibration & noise theory research and test of drive axle. Finally, solve the noise fault based on the research conclusion.

Keywords:drive axle; hypoid gear; mesh impact; transfer path; resonance

中圖分類號：U472.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-57-02

作者簡介：馬洪濤，碩士研究生，就職于陜西漢德車橋有限公司，主要從事客車驅動橋振動噪聲分析工作。