由齒輪邊頻引起的驅動后橋噪聲分析

堯舜奇，徐國祥，徐勇，江晃

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

0 引言

驅動后橋作為汽車傳動系統的最后一個環節，對整車的噪聲貢獻占比較大。驅動后橋的振動噪聲主要由其內的齒輪和軸承等旋轉件引起。齒輪噪聲根源主要是由主減速器主、被動齒輪在運轉時產生的沖擊和振動引起。一般的驅動橋齒輪噪聲表現為點響、嘯叫，主要是齒輪嚙合階次及其倍頻階次為主，邊頻帶較少[1-2]。若齒輪系統存在軸不對中或者齒輪本身偏心，通常會導致軸系徑向振動加大，從而產生齒輪的嚙合頻率調制現象，即以嚙合頻率為中心、軸系轉頻為間隔的邊頻帶[3]。

本文作者通過整車客觀測試與階次分析，識別出邊頻帶問題，再通過理論計算找出邊頻階次故障源。

1 故障現象介紹

某MPV輕客車型驅動后橋整車駕評時存在空擋滑行“隆隆”聲，聲音集中在速度段 80～90 km/h。由于空擋滑行時，背景噪聲較低，齒輪噪聲較為明顯。為及時鎖定故障源頭，支持整改，針對故障車輛進行整車客觀測試，利用階次分析方法，同時結合主觀駕評，對故障現象進行分析，鎖定故障源頭。

2 階次分析原理

當一個部件處于旋狀態時，它會產生一定幅值的響應(如振動、噪聲等)。這個響應程度會隨著轉速的變化而發生變化。階次則是旋轉部件每旋轉一圈響應發生的次數。

對于旋轉機械的振動噪聲，階次分析非常有幫助。這是因為系統產生的響應大多數情況下都與特定的階次(當然還有共振頻率產生的響應)相關，在特定的階次上會出現相應的響應。系統的每一個部件(齒輪、軸、活塞等)對系統的振動噪聲總量級(Overall level)都有貢獻。階次分析幫助確定每一個獨立部件對總量級有多大的貢獻。

3 故障識別

3.1 整車客觀測試

為識別故障，對整車進行噪聲、振動客觀測試。使用西門子LMS測試設備，在駕駛員左耳位置布置聲音采集器，在驅動后橋減速器殼體、后橋橋管、后橋殼蓋上布置三向振動加速度傳感器，分別如圖1—3所示。

圖1 駕駛員左耳噪聲測試

圖2 后橋減速器殼體振動測試

圖3 后橋橋管和殼蓋振動測試

提取驅動后橋階次噪聲與整車噪聲對比(圖4),發現2 200～2 450 r/min區間后橋階次噪聲對整車噪聲貢獻較大,與整車抱怨區間吻合。從后橋減速器殼體振動瀑布圖(圖5)可清晰看出，除后橋主階次12階外，11.72、12.28階均存在振動幅值偏高的現象，確定為邊頻問題，邊頻階次約為±0.28。再通過聲音瀑布圖(圖6)，同樣發現除后橋主階次12階外，11.72、12.28階聲音大的情況，與減速器殼體振動測試結果完全吻合。綜上分析，確定故障模式為邊頻振動。

圖4 后橋階次噪聲與整車噪聲對比

圖5 后橋減速器殼體振動瀑布圖

3.2 臺架復測

將故障后橋返回EOL驅動橋NVH臺架進行測試，提取11.75以及12.25階次(由于臺架階次的帶寬為0.125限制)動態扭矩測試曲線與非故障件對比。發現在11.75階，故障件比其他非故障件高8 dB以上(圖7)，在12.25階，故障件比其他非故障件高12 dB以上(圖8)，差異非常明顯。

圖7 故障件與非故障件11.75階測試曲線對比

圖8 故障件與非故障件12.25階測試曲線對比

4 邊頻階次計算

4.1 齒輪的邊頻帶

齒輪傳動結構的邊頻帶多以齒輪嚙合頻率的諧頻為載波頻率，齒輪的轉頻或倍頻作為調制頻率。邊頻帶的出現是由于在一個嚙合周期內時變的嚙合剛度的變化引起的參數化自激勵：齒輪嚙合不精確，載荷和轉速不均勻。齒輪自身偏心、幾何誤差和裝配誤差易引起載波信號的幅值變化，出現幅值調制現象。

在齒輪故障診斷中，故障信號對某一特征信號的調制作用，在其頻譜圖上產生邊頻帶。這些邊頻帶是以齒輪的嚙合頻率為中心，以軸的旋轉頻率為間隔的邊頻帶。

4.2 邊頻帶計算

主動齒輪的邊頻階次[4]計算公式為

1998年Coonrad等[14]根據對脊柱正位全長X線片上頂椎的具體位置及數目、側彎之間的柔韌性差異分析了2000例特發性脊柱側凸，分為21類，雖然分型比King分型豐富了，提供了足夠的數據庫，但也只是從脊柱側凸的冠狀面進行了考慮，并且針對各型沒有具體的手術方法和合適融合范圍。

(1)

被動齒輪的邊頻階次計算公式為

(2)

將參數代入式(1)和式(2)中，經計算O主齒邊頻=1，O被齒邊頻≈0.28。

得出整車邊頻帶階次與驅動橋被齒邊頻階次剛好吻合，初步判斷該故障由被齒及其軸系邊頻引起。

5 原因分析

經拆解故障后橋發現，被動齒輪減速面連續多齒接觸區存在螺旋偏移問題(圖9)，即凹面各齒的嚙合印痕長短不一致，有些接近全齒面(圖10)，有些不足50%(圖11)，差異較大。與問題初步判斷結果吻合。

圖9 被齒減速面螺旋偏移

圖10 接近全齒面的嚙合印痕

圖11 不足50%的嚙合印痕

經過對故障齒輪進行精度檢測以及對齒輪加工過程進行追溯,發現被動齒輪熱處理變形大是引起齒輪印痕螺旋的主要原因。

導致齒輪熱處理前后變形大的原因主要有兩個：

(1)齒輪毛坯原材料的端淬值偏大，心部硬度高，導致齒輪毛坯變形量大；

(2)壓淬工裝漲心定位外圓尺寸不合理，壓淬的內、外壓環的壓力選擇不合理，導致熱處理變形，齒輪嚙合區螺旋。

針對這兩項問題點進行以下改善：

(1)選擇端淬值更低的原材料；

(2)優化熱處理壓淬參數(工裝漲心定位外圓尺寸以及內、外壓環的壓力等)，控制熱后被動齒輪外圓、內圓等參數。

6 噪聲優化

將原故障后橋主減速器使用改善后加工的主、被動齒輪重新裝配，檢測被動齒輪凹面嚙合印痕，每個齒面的嚙合印痕長度均衡(圖12)，螺旋偏移問題消失。

圖12 齒印均衡

將更換主、被動齒輪后的驅動后橋重新裝原車駕評驗證，整車故障消失。

提取驅動后橋階次噪聲與整車噪聲對比,發現后橋階次噪聲相比改善前整體降低了8 dB左右,且后橋階次噪聲比整車噪聲低了13 dB以上，噪聲貢獻大幅減少(圖13)。

圖13 改善后后橋階次噪聲與整車噪聲對比

從后橋減速器殼體振動瀑布圖(圖14)也可明顯發現11.72、12.28階的邊頻振動幅值高的問題完全消失。車內聲音瀑布圖(圖15)上11.72、12.28階的邊頻同樣消失，與振動測試結果一致。經過比較改善前后的域頻曲線(圖16)，發現原幅值最高的2 272.5 r/min，幅值由55.78 dB降低至46 dB，降低了9.78 dB，改善效果非常明顯。

圖14 改善后后橋減速器殼體振動瀑布圖

圖15 改善后車內聲音瀑布圖

圖16 改善前后對比的頻域曲線(2 272.5 r/min)

7 結論

齒輪自身偏心、幾何誤差和裝配誤差導致的齒輪嚙合不精確、載荷和轉速不均勻，這些都有可能引起邊頻帶出現的原因。邊頻帶導致的振動能量疊加后將對整車噪聲貢獻極大。尤其是在空擋滑行工況時，整車背景噪聲較低，驅動后橋貢獻的噪聲很容易被人耳識別，引起乘客抱怨。

主減速器齒輪嚙合印痕如果表現出螺旋狀，則能夠反映齒輪自身偏心問題。對裝配主減進行齒印檢查，可避免整車出現由齒輪螺旋引起的后橋異響問題。