某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客齒輪嘯叫分析與優(yōu)化研究

陳清爽，郭峰*，鐘秤平，王輪，鄧欣，劉森海

某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客齒輪嘯叫分析與優(yōu)化研究

陳清爽1,2，郭峰1,2*，鐘秤平1,2，王輪1,2，鄧欣1,2，劉森海1

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330001）

文章針對(duì)某電驅(qū)動(dòng)車型在勻速及減速滑行工況下30 km/h的齒輪嘯叫問(wèn)題，借助LMS Test.Lab測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行了嘯叫問(wèn)題詳細(xì)診斷和分析。通過(guò)對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，確定了該噪聲產(chǎn)生的根本原因。最終通過(guò)優(yōu)化砂輪參數(shù)，解決了嘯叫問(wèn)題。該研究思路為后續(xù)類似問(wèn)題的解決提供了重要的參考價(jià)值。

電驅(qū)動(dòng)后橋；減速器；齒輪；NVH

引言

傳統(tǒng)汽車尾氣污染已成為大氣污染的主要來(lái)源之一。在2020年9月，中國(guó)政府提出二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和已從市場(chǎng)機(jī)制轉(zhuǎn)向法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)制性規(guī)制。整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)被強(qiáng)制脫碳化轉(zhuǎn)型[1]。發(fā)展新能源汽車已勢(shì)在必行，且成為各大車企實(shí)現(xiàn)減碳、脫碳主要途徑之一。

在輕型客車這一細(xì)分領(lǐng)域，各大車企積極響應(yīng)，已推出多種結(jié)構(gòu)形式電動(dòng)汽車。根據(jù)動(dòng)力傳遞方式可分為三種：傳統(tǒng)模式、電驅(qū)動(dòng)橋集中式模式、輪轂電機(jī)分散式模式。前者采取傳統(tǒng)燃油車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式，保留減速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋，將電機(jī)替換發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于改造型電動(dòng)車[2]。這種結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮電機(jī)增扭性能，且傳動(dòng)效率難以提升。后者電機(jī)直接集成在輪轂上，效率及空間利用率高，但成本也較高。而本次研究的電驅(qū)動(dòng)橋采用的是電驅(qū)動(dòng)橋集中式驅(qū)動(dòng)模式，其傳動(dòng)效率較高，且成本適中。

針對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋齒輪噪聲，徐海軍等[3]通過(guò)在電驅(qū)動(dòng)橋中采用細(xì)高齒設(shè)計(jì)，提升了齒輪重合度，從而解決了齒輪嘯叫問(wèn)題；徐勇[4]通過(guò)對(duì)齒輪進(jìn)行微觀修形，解決了加速及滑行過(guò)程中電驅(qū)動(dòng)橋齒輪嘯叫問(wèn)題；徐忠四[5]、陳揚(yáng)森[6]針對(duì)減速器嘯叫問(wèn)題分別采用雙目標(biāo)優(yōu)化及聲源降噪等方式解決。以上四種優(yōu)化方式主要針對(duì)傳統(tǒng)常規(guī)齒輪嚙合階次嘯叫問(wèn)題，沒(méi)有涉及齒輪鬼頻（即非齒輪嚙合基頻及倍頻）嘯叫問(wèn)題。本文針對(duì)某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客勻速及滑行減速時(shí)30碼的減速器鬼頻嘯叫問(wèn)題進(jìn)行診斷分析，通過(guò)對(duì)齒輪參數(shù)檢測(cè)確認(rèn)根本原因，最終優(yōu)化砂輪參數(shù)解決了該噪聲問(wèn)題。

1 電驅(qū)動(dòng)后橋結(jié)構(gòu)及問(wèn)題概述

1.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

電驅(qū)動(dòng)后橋布置在整車后排地板下方位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸通過(guò)花鍵與減速器的輸入軸連接，經(jīng)過(guò)兩級(jí)齒輪減速后，通過(guò)后橋驅(qū)動(dòng)整車后輪傳遞動(dòng)力。該減速器為偏置式平行軸結(jié)構(gòu)，輸入軸與電機(jī)輸出軸同軸，二軸、差速器軸與電機(jī)輸出軸平行。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 電驅(qū)動(dòng)后橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 問(wèn)題描述

在勻速及滑行減速時(shí)車速25 kph～35 kph（電機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 rpm～2 600 rpm）車內(nèi)存在明顯中低頻嘯叫，主觀不可接受。經(jīng)測(cè)試確認(rèn)，為10階噪聲。如圖2所示。

圖2 減速滑行工況車內(nèi)后排噪聲彩圖

2 問(wèn)題診斷

2.1 問(wèn)題分析

NVH問(wèn)題診斷過(guò)程中常使用“源頭-傳遞路徑-響應(yīng)”分析理論[7]。依據(jù)該理論，梳理該嘯叫的影響因子，并繪制出魚(yú)骨圖，詳見(jiàn)圖3。

圖3 鬼頻嘯叫影響因子魚(yú)骨圖

2.2 噪聲源分析

針對(duì)噪聲源問(wèn)題，運(yùn)用LMS Test.lab軟件對(duì)電驅(qū)橋總成噪聲及振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。整車試驗(yàn)工況為勻速30 kph和電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 rpm減速滑行至1 500 rpm，噪聲測(cè)點(diǎn)為車內(nèi)后排座椅，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為電機(jī)端蓋和減速器一軸軸承座殼體。其中振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，電驅(qū)動(dòng)后橋殼體振動(dòng)曲線測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在不同轉(zhuǎn)速下，固定階次的噪聲及振動(dòng)的頻率計(jì)算方法，如公式（1）所示：

式中：f為頻率，r為轉(zhuǎn)速，n為階次。

圖5 勻速30 kph工況電驅(qū)動(dòng)后橋殼體振動(dòng)曲線

圖5中電驅(qū)動(dòng)后橋殼體振動(dòng)曲線峰值為417 Hz，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 502 rpm，即該振動(dòng)特征為417×60/2502=10階，與滑行10階嘯叫為同一問(wèn)題。減速器及電機(jī)殼體均存在10階振動(dòng)特征，減速器振動(dòng)幅值更大。初步判斷該噪聲源來(lái)自減速器內(nèi)部。

2.3 激勵(lì)源機(jī)理分析

2.3.1異響特征確認(rèn)

對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋相關(guān)旋轉(zhuǎn)件階次進(jìn)行梳理，基頻及諧頻均不存在10階，詳見(jiàn)表1。經(jīng)分析，10階為減速器一級(jí)齒輪30階的三分之一，初步懷疑該嘯叫與減速器一級(jí)齒輪相關(guān)。

表1 電驅(qū)動(dòng)后橋旋轉(zhuǎn)件階次

零件階次 電機(jī)轉(zhuǎn)子6及其倍數(shù) 電機(jī)定子48及其倍數(shù) 減速器一級(jí)齒輪30及其倍數(shù) 減速器二級(jí)齒輪8.63及其倍數(shù) 軸承B113.76及其倍數(shù) 軸承B122.52及其倍數(shù) 軸承B212.53及其倍數(shù) 軸承B224.71及其倍數(shù)

齒距偏差（單個(gè)齒距偏差fp和相鄰齒距偏差fu）是評(píng)定齒輪運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性的重要參數(shù)[8]。通過(guò)對(duì)減速器一級(jí)主動(dòng)齒輪的齒距偏差（fp&fu）進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)每3個(gè)齒齒距偏差出現(xiàn)周期性峰值特征，即10階。齒距偏差檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 一級(jí)減速主動(dòng)齒輪齒距偏差檢測(cè)結(jié)果

2.3.2根本原因確認(rèn)

表2 一級(jí)減速主動(dòng)齒輪砂輪磨削加工線程

齒輪齒數(shù)編號(hào)砂輪線程 3頭4頭 1#AA 2#BB 3#CC 4#AD 5#BA 6#CB ……………… 29#BA 30#CB 1#AC 2#BD

減速器一級(jí)減速主動(dòng)齒輪共計(jì)30齒，用于磨削加工的砂輪頭數(shù)為。當(dāng)30/為整數(shù)時(shí)，磨削加工時(shí)，每個(gè)齒會(huì)周期性進(jìn)入固定的砂輪線程。不同線程加工出的齒輪齒距偏差幅值不同。其中3頭和4頭砂輪加工過(guò)程的線程如表2所示。

當(dāng)砂輪頭數(shù)為3時(shí)，第1+3（=0至9整數(shù)）個(gè)齒會(huì)周期性進(jìn)入線程A，第2+3個(gè)齒會(huì)進(jìn)入線程B，第3+3個(gè)齒會(huì)進(jìn)入線程C。齒距偏差會(huì)產(chǎn)生30/3=10階特征。

當(dāng)砂輪頭數(shù)為4時(shí)，齒輪每轉(zhuǎn)一圈，各個(gè)齒進(jìn)入的線程與上一圈都不相同，如1#齒在齒輪旋轉(zhuǎn)第1圈進(jìn)入線程A，第2圈進(jìn)入線程C。這樣加工的齒距偏差幅值較小且無(wú)明顯階次特征。

綜上分析，用于加工齒輪的砂輪頭數(shù)對(duì)鬼頻嘯叫影響很大。砂輪頭數(shù)選用不當(dāng)（30齒齒輪選擇了3頭砂輪），會(huì)導(dǎo)致齒輪齒距偏差幅值偏大，且呈現(xiàn)10階特征，引起車內(nèi)10階鬼頻嘯叫。

2.4 傳遞路徑分析

2.4.1空氣輻射

該噪聲問(wèn)題的主要頻率為300 Hz～500 Hz，屬于中低頻段。按照前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，噪聲頻率低于1 200 Hz，結(jié)構(gòu)路徑通常為主要貢獻(xiàn)，且將電驅(qū)動(dòng)橋外殼使用消聲棉+阻尼材料整體包裹，車內(nèi)噪聲優(yōu)化不明顯。考慮到減速器為風(fēng)冷散熱，該方案無(wú)法工程化。包裹措施如圖7所示。初步判斷空氣輻射非主要路徑。

圖7 電驅(qū)動(dòng)后橋殼體包裹

2.4.2結(jié)構(gòu)傳遞

電驅(qū)動(dòng)后橋主要通過(guò)板簧安裝在車身上，同時(shí)通過(guò)減震器與車身縱梁連接。其結(jié)構(gòu)傳遞路徑主要為板簧和減震器。

圖8 勻速30 kph工況車內(nèi)NVH測(cè)試結(jié)果

斷開(kāi)減震器，車內(nèi)噪聲無(wú)明顯優(yōu)化，因此判斷減震器非主要路徑。

考慮到板簧無(wú)法直接通過(guò)斷開(kāi)方式進(jìn)行貢獻(xiàn)度驗(yàn)證，因此在左右板簧各加7.2 kg質(zhì)量，但車內(nèi)10階噪聲無(wú)明顯優(yōu)化，且板簧被動(dòng)側(cè)振動(dòng)峰值仍在。斷開(kāi)減震器及板簧加質(zhì)量塊測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。

綜合考慮方案效果，工程化可行性，優(yōu)化成本以及項(xiàng)目周期等因素，暫不對(duì)板簧進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化方案研究

噪聲常見(jiàn)優(yōu)化方案有三種：降低激勵(lì)源振動(dòng)、減小路徑傳遞和降低車身響應(yīng)[9]。綜合考慮工程化可行性，優(yōu)化成本以及項(xiàng)目周期等因素，可通過(guò)優(yōu)化砂輪參數(shù)以解決該噪聲問(wèn)題。

3.1 砂輪參數(shù)優(yōu)化

圖9 優(yōu)化后齒輪齒距偏差檢測(cè)結(jié)果

圖10 砂輪參數(shù)優(yōu)化前后NVH測(cè)試結(jié)果

優(yōu)化砂輪參數(shù)，將原始狀態(tài)3頭砂輪改為4頭砂輪，新砂輪加工后的齒輪齒距偏差fp&fu分別由原始狀態(tài)的5.5 um&8.8 um減小至2.6 um&3.2 um，且10階特征消失。優(yōu)化后齒輪檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。

3.2 優(yōu)化效果確認(rèn)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，砂輪頭數(shù)優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲10階峰值消失，主觀可接受。數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖10。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客車型勻速及滑行減速30碼附近的10階鬼頻嘯叫問(wèn)題，運(yùn)用“源-路徑-響應(yīng)”分析理論進(jìn)行問(wèn)題診斷分析，確定了齒距偏差異常為該鬼頻嘯叫的根本原因。通過(guò)對(duì)砂輪進(jìn)行優(yōu)化，成功解決該噪聲問(wèn)題，為后續(xù)該類車型的NVH開(kāi)發(fā)提供了重要的參考價(jià)值。

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Gear Whine Noise Analysis and Optimization Research of a Certain E-axle Light Passage

CHEN Qingshuang1,2, GUO Feng1,2*, ZHONG Chengping1,2, WANG Lun1,2, DENG Xin1,2, LIU Senhai1

( 1.Jiangling Auto Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001;2.Jiangxi Vehicle Noise and Vibration Key Lab, Jiangxi Nanchang 330001 )

In this paper, for the gear whine noise problem of the electric car at 30 km/h under the uniform speed and the coast condition, the LMS Test. Lab test and analysis system is used to problem diagnosis and analysis. By testing the gear parameters, the root cause of the noise was identified. Finally, the noise problem was solved by optimizing the grinding wheel parameters. The research idea provides an important reference value for the subsequent solution of similar problems.

Electric-axle; Reducer; Gear; Noise vibration harshness

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.012

TB535

A

1671-7988(2021)21-48-04

TB535

A

1671-7988(2021)21-48-04

陳清爽（1984—），男，研究生，中級(jí)工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，研究方向?yàn)镹VH性能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

郭峰（1992—），男，本科，助理工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)NVH開(kāi)發(fā)。

江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：JXNVHKB-KFKT-201801）。