整車后橋異常噪聲分析與優(yōu)化

張偉龍 ，鄔忠永 ，丁保安 ，郭 彬 ，李秀山

（1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

現(xiàn)代社會消費者對汽車性能及舒適性要求很高，噪聲與振動問題越來越突出[1]。機械噪聲是工業(yè)的產(chǎn)物，噪聲不僅妨礙機械技術(shù)的進(jìn)步，而且影響著人類的身心健康，齒輪是產(chǎn)生噪聲的主要機器零件[2]，且研究較多。它能引起聽力、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等多種疾病，分散注意力，使工作效率下降，因此研究結(jié)構(gòu)件輻射噪聲非常重要，但相關(guān)研究僅限于理論研究，未將研究成果應(yīng)用到實際故障解決中。

本文對后橋噪聲產(chǎn)生機理和特性進(jìn)行了分析，并通過NVH試驗及頻譜分析及濾波回放的Sound analysis方法對后橋噪聲進(jìn)行了分析，并提出優(yōu)化方向，有效地優(yōu)化了整車噪聲，從而為解決后橋噪聲異常問題提供了可借鑒的方法。

1 齒輪噪聲產(chǎn)生機理

齒輪噪聲包括低頻噪聲和高頻噪聲。人的聽覺對低頻感受不太靈敏，此種噪聲雜亂無章，沒有規(guī)律[3]。齒輪噪聲主要是高頻噪聲，其產(chǎn)生原因一方面是基節(jié)偏差，在齒輪分離和嚙合時，齒輪每轉(zhuǎn)一齒，主動齒輪和從動齒輪之間會產(chǎn)生一次撞擊；另一方面是齒形誤差，在同樣誤差量下，中凹齒輪噪聲比鼓形齒大。

2 后橋異常噪聲案例分析

2.1問題描述

某商用車在中高轉(zhuǎn)速時，出現(xiàn)整車噪聲大問題，且車速越高問題越嚴(yán)重，異響噪聲主觀感受為“尖銳”的聲音，嚴(yán)重影響了乘客舒適性。

2.2試驗分析

首先進(jìn)行了行駛工況整車車內(nèi)噪聲和傳動系振動試驗。其中圖1～圖4分別為5檔80 km/h、6檔80 km/h、5檔90 km/h和6檔90 km/h駕駛員耳旁噪聲ColorMap圖，表1為不同檔位和車速時車內(nèi)異響噪聲頻率。

圖15 檔80km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖26 檔80km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖35 檔90km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖46 檔90km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

表1 不同檔位和車速時車內(nèi)異響噪聲頻率

由以上數(shù)據(jù)可知，異響噪聲的頻率與車速相關(guān)，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)。

在車內(nèi)座椅及傳動軸與后橋連接處發(fā)現(xiàn)與異響噪聲相同頻譜的振動信號，發(fā)動機上沒有。圖5～圖6為5檔80 km/h時傳動軸后端、座椅、發(fā)動機測點的振動頻譜。

圖55 檔80km/h傳動軸后端振動Colormap圖

圖65 檔80km/h座椅振動Colormap圖

圖75 檔80km/h發(fā)動機測點振動Colormap圖

如上圖所示，異響噪聲的頻率與車速相關(guān)，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)，以及發(fā)動機上沒有異常振動信號，因而可以確定異響噪聲與發(fā)動機無關(guān)。排除發(fā)動機后，與車速相關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件就只有傳動軸、主減速、前后橋及輪胎。表2為5檔80 km/h傳動系統(tǒng)主要零部件的激振頻率。

表25 檔80km/h傳動系統(tǒng)主要零部件的激振頻率

對于傳動軸和輪胎來說，其激振主要是1階、2階激振。5檔80 km/h時，傳動軸的1階激振頻率為1 400/60=23.3 Hz，2階激振頻率為46.6 Hz；后橋速比為3.56，因而輪胎的1階激振頻率為23/3.56=6.5 Hz，2階激振頻率為13 Hz.因而基本可以排除傳動軸及輪胎的問題。

主減速器輸入齒輪的齒數(shù)為11，5檔80 km/h時，其嚙合頻率為23.3×11=256.3 Hz，與異響噪聲的頻譜一致。同時傳動軸與后橋連接處的異常振動信號明顯，判定主減速器為的異響噪聲的激勵源。

2.3優(yōu)化措施及效果驗證

2.3.1優(yōu)化措施

根據(jù)齒輪嚙合噪聲產(chǎn)生的機理分析，齒輪運轉(zhuǎn)過程中主要是由于輪齒在嚙合過程中產(chǎn)生“節(jié)線沖力”和“嚙合沖力”所激起的。齒輪精度對齒輪噪聲的影響極大，減低齒輪噪聲的第一個措施就是提高齒輪精度。對于齒距誤差，圖8為各輪齒在不同的基節(jié)誤差時噪聲的情況[4]。

圖8 齒距誤差對噪聲的影響

由于整車是成熟車型，不宜對其進(jìn)行較大改動，且耗費時間較長。在保證齒輪類型、參數(shù)和結(jié)構(gòu)形狀不變前提下，調(diào)整齒輪嚙合齒距容易實現(xiàn)，是一種低成本很有效的方法。

2.3.2效果驗證

調(diào)整后橋齒輪嚙合距離，重新裝機后對整車進(jìn)行NVH試驗，試驗工況與優(yōu)化前相同。其中圖9為優(yōu)化前后5檔80 km/h工況駕駛員噪聲Overall Level對比曲線，圖10為優(yōu)化前后5檔80 km/h駕駛員耳旁噪聲ColorMap對比圖，圖11為優(yōu)化前后5檔80 km/h駕駛員噪聲1/3倍頻程對比圖。

圖9 優(yōu)化前后5檔80km/h駕駛員噪聲Overall Level對比曲線

圖10 優(yōu)化前后5檔80km/h駕駛員噪聲ColorMap對比圖

圖11 優(yōu)化前后5檔80km/h駕駛員噪聲1/3倍頻程對比圖

如圖9～圖11所示，在5檔80 km/h工況下，優(yōu)化后駕駛員噪聲降低2～3 dB（A），噪聲大問題解決。優(yōu)化后5檔80 km/h工況下駕駛員噪聲主要頻率125 Hz和250 Hz聲壓明顯減弱，250 Hz中心頻率（1/3倍頻程）處對應(yīng)的噪聲值降低了3 dB（A）左右。

3 結(jié)束語

本文首先對齒輪噪聲產(chǎn)生機理和特性進(jìn)行了分析，然后針對某長途客車整車噪聲大故障為例，通過NVH試驗及聲診斷分析手段，確定了后橋齒輪噪聲為整車異常噪聲主要噪聲源，并采用了優(yōu)化后橋齒輪噪聲便利的途徑：通過調(diào)整齒輪間隙，降低齒形誤差、齒面粗糙度和齒面誤差對噪聲的影響。優(yōu)化后試驗結(jié)果表明，駕駛員噪聲降低2～3 dB（A），不僅降低了噪聲值，而且整車異響消失，聲品質(zhì)也明顯提升，從而驗證了分析方法的正確性及控制方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐 劍，諶 剛，何 華.汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]韓香麗.齒輪噪聲之探究[J].山西機械，2010，9（3）：28-30.

[3]劉長付.摩托車齒輪精度與噪聲[J].山東農(nóng)機，2000（5）：11-12.

[4]朱 革，彭東林，張興紅，等.齒輪振動噪聲分析及控制[J].齒輪設(shè)計與加工，2002（10）：48-51.