某輕卡加速車內噪聲排查及控制方法

楊劍 馬紅陽

東風汽車股份有限公司商品研發院 武漢 430057

1 引言

現今，中國全面建成小康社會，經濟飛速發展，生活水平顯著提高，汽車也成為家家戶戶必備的生活工具。隨著人們對物質要求的逐漸提高，消費者對汽車舒適性的要求將越來越高，尤其是對汽車NVH（Noise噪聲、Vibration振動、Harshness聲振粗糙度）性能的要求也逐年提高。

引起汽車異響的原因有很多，因為一輛汽車是由數萬個零部件組成的異常復雜的系統，汽車在各種復雜的情況下運轉，存在著零件的磨損、腐蝕、疲勞及變形。零件的磨損，使得它的尺寸、形狀和表面質量發生了變化，改變了零件原有的配合特性；零件的變形，有可能使得零件產生彎曲、扭曲、撓曲等機械損傷，進而受損零件在交變載荷的作用下，因材料的疲勞而產生破裂和折斷，造成汽車的各種異響[1]。

2 現狀評價

某新近開發的輕卡車型在4、5擋行駛至60～90 km/h時，在駕駛室內能明顯聽到“嗚嗚”聲從后橋處傳來，松開油門后異音會消失，反復加減速時該異音尤其明顯。經主觀評價后初步判斷該異音來自于后橋主減速器處。

經過對樣車后橋主減速器的拆解，并未發現主減速器處齒輪有磨損等異常表現，更換新的傳動軸及主減速器后重新上路試車，發現在相同工況下該異音仍然存在。說明該異音不是由于零部件故障所造成的。為摸清楚故障原因，安排了與之相關聯的振動噪聲測試。

3 現狀測試

為把握現狀，在駕駛員右耳位置布置傳聲器，采集典型工況的噪聲（如圖1）；在主減速器處布置一個傳聲器（如圖2）；在主減速器后橋鼻頭處布置一個振動傳感器（如圖3）。結合異音發生的工況，制定了4個試驗工況：4擋60 km/h急加速至90 km/h，5擋60 km/h急加速至90 km/h，4擋75 km/h勻速，5擋80 km/h勻速。

圖1 主駕右耳傳聲器

圖2 后橋傳聲器

圖3 后橋振動傳感器

如圖4為5擋勻速80 km/h時主駕右耳噪聲及主減速器振動頻譜圖，圖中振動及噪聲在340 Hz處均存在較大峰值，該頻率疑似為異音的來源。添加320～360 Hz帶阻濾波器回放噪聲，異音明顯減小，可以確定異音頻率在340 Hz左右。

圖4 5擋勻速振動噪聲頻譜圖

一對齒輪在嚙合傳動時，由于存在齒輪嚙合間隙，會產生嚙合振動。當變速箱一軸常嚙合齒輪的轉速一定時，變速箱內的每一個齒輪的嚙合頻率是不變的[3]。

設變速箱一軸常嚙合齒輪的轉速為n，r/min；齒數為z，i為變速箱速比；則齒輪的嚙合頻率為：

由于該車在5擋80 km/h時發動機轉速約為2 700 r/ min，主減速器主動端齒數為6，5擋變速箱速比為0.779。因此，由式（1）計算得出主減速器的齒輪嚙合頻率f齒輪=346 Hz，與異音頻率吻合。

同樣，在4擋勻速75 km/h試驗工況時，主駕右耳噪聲及主減速器振動頻譜圖如圖5所示。圖中可以看到在330 Hz左右振動噪聲有明顯的峰值，由于4擋75 km/h時發動機轉速約為3 300 r/ m in，主減速器主動端齒數為6，4擋變速箱為直接擋（速比為1），因此在該工況時主減速器的齒輪嚙合頻率f齒輪=330 Hz。由于在這兩種工況下發現異音頻率與主減速器的嚙合頻率相吻合，因此可以判定行駛時異音來自于主減速器。

圖5 4擋勻速振動噪聲頻譜圖

兩個勻速工況下出現的異常頻率均與主減速器振動頻率相一致，說明駕駛室內聽到的異音是由主減速器振動引起的結構聲。

如圖6和圖7分別為4、5擋勻速行駛時主駕右耳colormap圖，圖6在320 Hz左右和圖7在340 Hz左右皆有一條明顯的軌跡線，經回放確認為異音軌跡。

圖6 4擋勻速噪聲彩圖

圖7 5擋勻速噪聲彩圖

由于主減速器經拆裝后檢查并未發現有異常的磨損現象，說明異音來自于主減速器的齒輪嚙合而產生的噪聲。齒輪噪聲中包含有齒輪本體固有頻率和嚙合頻率（往往伴有上、下邊頻）有關的兩種成分。這兩種成分中包含有高次諧波，通常到三次諧波。前者是由齒輪嚙合沖擊激發的齒輪本身的固有振動噪聲，這種噪聲在無負載時尤為明顯；后者產生的噪聲為齒輪的加速度噪聲。它是由于輪齒在齒輪嚙合點產生很大的加速度，從而輻射出噪聲。即由于齒面間存在有摩擦力，相對滑動速度在節點突然換向，導致齒面間的相對摩擦力的方向突然改變，從而產生了脈沖力。

節點處的脈沖力又稱為“節線沖力”，其大小及持續時間與齒輪間的傳遞力、齒面間的摩擦系數以及相對滑動速度的大小有關；再加上輪齒的彈性變形、制造和安裝誤差等因素存在，有可能形成“頂刃嚙合”，即當被動輪齒距或基節大于公稱值時，將在被動輪齒頂發生頂刃嚙合；而當被動輪齒距或基節小于公稱值時，將在被動輪齒根發生頂刃嚙合，以致產生“嚙合沖力”，導致噪聲產生[2]。這種嚙合頻率成分的噪聲在齒輪噪聲中的占比較大。

總之，嚙合頻率產生的噪聲主要與齒輪的轉速、齒輪總的誤差（包括安裝誤差和制造誤差）以及齒輪加載后的變形有關。

為了進一步地分析該噪聲是由主減速器與傳動軸嚙合時所產生的還是由于其他原因造成的，首先對試驗數據進行階次分析。

4 階次分析

階次分析是用于分析旋轉運動部件故障的重要方法，用角度間隔采樣將非平穩信號轉化為不受其影響的平穩信號，并含階次信息。在旋轉和往復式機械中，載荷的變動和運動部件的缺陷會引起振動，并相應的有輻射噪聲。振動的形態與機械運動及靜止部件的結構特性有關。研究旋轉部件時，定義參考軸轉頻為基頻（1階），其他軸或部件頻率為參考軸頻率的倍數，稱為階次。階次、頻率以及轉速之間的關系為：

式中，f為階次頻率，Hz；OOrder為階次；n表示旋轉速度，r/min。

階次分析是一個將頻譜及時間歷程與旋轉部件的RPM關聯起來的工具，揭示振動與噪聲機理。

利用LMS Test.Lab數采設備對主駕右耳噪聲及主減速器鼻頭處振動進行采樣和分析，對采集到的信號進行數據處理后得到各組試驗的瀑布圖如圖8、圖9所示。4擋急加速工況瀑布圖中表現出明顯的階次特征是2、4、6階，經分析2、4階為發動機噪聲。由于該車4擋變速箱速比為1，以發動機轉速為基礎1/1=1階是傳動軸一階旋轉，而傳動軸與主減速器齒輪嚙合主動端齒數為6齒，因此1×6=6階次是傳動軸齒輪嚙合階次頻率。5擋急加速工況瀑布圖中表現的階次特征為2、4、7.7階，同樣2、4階次為發動機本體噪聲。由于該車5擋速比為0.779，以發動機轉速為基礎1/0.779=1.28階是傳動軸一階旋轉，而傳動軸與主減速器齒輪嚙合主動端齒數為6齒，因此6×1.28≈7.7階次是傳動軸齒輪嚙合階次頻率。4、5擋主駕右耳噪聲均表現出傳動軸嚙合階次頻率。由此，可確定異音來源于主減速器與傳動軸嚙合異常所引起的。

圖8 4擋急加速瀑布圖

5 方案驗證

由于對主減速器拆裝后并未發現其齒輪有磨損缺齒等現象，異音在加速過程中較明顯是因為輸出力矩陡然增加，而齒輪嚙合存在間隙，此時齒輪間激勵增大，容易產生嘯叫聲。通過對齒輪進行修形提高加工精度后安裝至試驗樣車上，主觀感受異音基本消失。對試驗數據進行數據分析（如圖10、11），采用齒輪修形的方案提高齒輪加工精度。在對齒輪加工精度加以提高后，再通過階次切片圖能明顯看到主減速器處振動減小，說明方案有效。

圖11 4擋急加速時階次切片頻譜圖

圖10 5擋急加速時階次切片頻譜圖

6 總結

本文通過階次分析方法，推斷出主減速器與傳動軸的嚙合和加速異音有著很強的相關性。結合拆裝及試驗結果，分析出齒輪嚙合間隙過大導致急加速時力矩增大引起齒輪間的激勵增大而產生嘯音。通過齒輪修形提高齒輪加工精度，最終問題得以解決。