某商用車帶擋滑行室內異響問題分析與處理

施朝坤 劉永宏 梁光輝

【摘 要】汽車駕駛室內異響是比較常見的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）問題之一。文章以某商用車帶擋滑行時后橋造成的異響問題為研究對象，闡述了商用車后橋異響的產生機理和控制策略，利用整車道路NVH試驗、駕駛室聲學靈敏度測試（NTF）和階次分析等手段確定了產生異響的主要聲源，通過聲源頻率定位和后橋實物拆解分析確定后橋主減齒輪為異響根源，并提出對后橋主減齒輪齒形進行優化的問題解決方案。經實車道路試驗驗證，所采用措施正確有效。

【關鍵詞】異響;齒輪噪聲;道路試驗;階次分析

【中圖分類號】U463.81 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0076-03

近年來，商用車市場持續快速發展。隨著人們生活水平的不斷提高和客戶群體的年輕化，商用車NVH問題也越來越受到用戶關注。如何提高車輛舒適性已成為國內各大主機廠研究的競爭焦點和技術發展方向。隨著商用車整車NVH性能的不斷提升，商用車NVH問題的關注已從最初的駕駛室和發動機等主要部件逐漸擴展到傳動軸、后橋和輪胎等系統及部件級的NVH研究與控制。

本文以某商用車帶擋滑行時車內出現的異響問題為例，對汽車后橋齒輪噪聲產生的機理和控制方法進行了探討和總結，并利用整車NVH道路試驗、駕駛室傳遞函數測試分析和后橋結構拆解檢測等手段，確定后橋是造成異響的根本原因。最后從控制激勵源輸入的角度提出解決方案，有效解決了該異響問題，從而為控制后橋齒輪噪聲問題提供了一種可借鑒的工程實用方法。

1 齒輪噪聲產生機理

1.1 驅動橋結構及工作原理

某重型牽引車發動機布置形式是前置后驅，驅動橋的基本構造包括后橋殼體、主減速器、差速器及半軸等。車輛行駛時，主減速器作為連接傳動軸與半軸的紐帶，是后橋總成傳遞動力的主要承擔者，主減速器通過準雙曲面齒輪實現減速、增矩及傳動的功能。其本身齒輪嚙合特性決定了主減速器甚至后橋總成的振動噪聲水平[1]。

1.2 齒輪噪聲產生的機理

一對齒輪嚙合時，產生噪聲的主要原因是不同程度的齒距、齒形、齒向等誤差，再加上外加載荷的變動，在運轉過程中會產生嚙合沖擊而發出與齒輪嚙合頻率相對應的噪聲，齒面之間由于相對滑動也將發生摩擦聲。總之，齒輪的動態激勵是齒輪產生振動噪聲的根本原因。通常齒輪的動態激勵包括內部激勵和外部激勵兩部分：由齒輪自身嚙合產生的動態激勵稱為內部激勵;由齒輪系統外部如發動機激勵、傳動軸不平衡激勵等引起的激勵稱為外部激勵。

本文主要研究齒輪嚙合產生的內部激勵。齒輪嚙合過程具有非常復雜的非線性系統特征，可以用一個簡化的單自由度振動系統模型來模擬齒輪嚙合的振動，利用該模型可以推導出齒輪嚙合的動力學性能及其內部激勵構成，如公式（1）所示[2]：

其中，M為嚙合線方向上的等效質量;C為嚙合阻尼;K為平均嚙合靜態剛度;x為相對位移;x為平均靜態相對位移;■為相對速度;■為相對加速度;△K為嚙合動態剛度;△x為嚙合動態相對位移;Et為嚙合誤差，隨時間而變化。

通過公式（1）得知齒輪嚙合系統的內部激勵主要由以下3個部分構成：公式（1）中右邊第一項含有誤差系數，為誤差激勵，是齒輪嚙合頻率噪聲的主要原因;第二項含有時變嚙合剛度的可變部分，為剛度激勵;第三項則為誤差和嚙合剛度變化同時存在，為嚙合沖擊激勵。

齒輪振動噪聲是由節線沖擊振動引起的，齒輪每嚙合一次將會出現一次節線沖擊，其頻率特性主要表現為回轉頻率、嚙合頻率、固有頻率及其諧波。固有頻率由齒輪自身特性決定，齒輪回轉頻率f0和齒輪嚙合頻率fn可以通過公式（2）、公式（3）計算得出：

其中，n為主動輪轉速，單位為r/min;Z1為主動輪齒數。

1.3 齒輪噪聲的控制策略

影響齒輪噪聲的因素很多，制定降噪措施主要從減少齒輪系統的動態激勵、提高齒輪加工精度及控制安裝誤差等方面考慮。目前常用的降低齒輪噪聲的方法如下[3]：①優化齒輪參數。齒輪的剛性一般隨著模數的增大而增強，噪聲則隨模數的增大而降低。當傳動比和中心距固定時，其重合度則隨著模數的增大而減少，對降低噪聲不利。而齒數越多，重合度越大，傳動越平穩，越有利于降低噪聲。模數和齒數都對嚙合系統的自振頻率有影響，設計時應綜合考慮。齒輪嚙合誤差在精度等級相同時將隨著模數的增大而增大，故應優先選用小模數。②優化齒輪齒形。當齒輪嚙合時輪齒發生彎曲變形，同時由于齒輪本身具有齒形誤差和齒距誤差，將導致齒輪嚙合時產生瞬時沖擊，產生振動和噪聲。因此，為了減少齒輪在嚙合時由于齒頂凸出而造成的嚙合沖擊，可以通過優化齒形，提高齒輪的承載能力和嚙合精度，減小齒輪受載變形，使齒輪受力均勻而圓滑地傳動，減小齒輪動態激勵。③提高齒輪加工精度。齒形誤差、齒距誤差及齒向誤差等對齒輪噪聲影響很大，減小這些誤差是降低齒輪噪聲非常有效的方法，同時提高齒輪加工精度可以減小齒面粗糙度，齒面粗糙度也是影響噪聲的重要因素，粗糙度越大，齒輪傳動時摩擦力就越大，噪聲越大，齒面磨損也越快。改善齒面的潤滑條件，也可以減小齒輪噪聲。④采用阻尼減振降噪材料。在減速器殼的內表面附加輔助振件，兩者之間的狹小空間內保持一層很薄的流體，從而形成薄膜阻尼。當橋殼以一定的頻率振動時，橋殼表面的振動快速地泵動流體層并使之運動，流體的黏性損耗使橋殼的振動能量得到損耗，因此振動能量會降低，振動產生的噪聲也就相應減小[4]。

2 帶擋滑行后橋異響案例分析

2.1 問題描述

根據市場客戶反饋，某重型6×4牽引車重載帶擋滑行時室內出現嚴重的“嗡嗡嗡”異響聲，其中行駛至車速70 km/h左右最為明顯，嚴重影響乘客舒適性，不可接受，要求對該問題進行分析整改。

2.2 試驗分析

為了準確識別造成帶擋滑行異響的噪聲源，針對該車型進行了詳細的整車重載道路NVH頻頻試驗、駕駛室總成傳遞函數測試（NTF）及后橋主減結構拆解檢查等測試分析工作[5]。主要實測數據及分析結果如下。

（1）如圖1所示，在12擋滑行工況下，駕駛員右耳存在明顯的11.5階噪聲峰值，其中在70 km/h（發動機轉速為1 120 r/min）車速下噪聲最大，峰值頻率為215Hz。由于異響頻譜存在明顯的階次噪聲，因此可以判定該問題是汽車旋轉部件引起的噪聲問題。

（2）如圖2所示，12擋滑行后橋近場噪聲同樣存在明顯的11.5階峰值噪聲，峰值頻率為215 Hz，和室內噪聲階次完全對應;同時通過駕駛室總成懸置傳遞函數（VTF）測試分析得知：駕駛室4個懸置的傳遞函數在215 Hz附近并無明顯峰值，據此判定異響不是由車身鈑金共振所引起，從而進一步確認異響是由汽車旋轉部件所導致，因此需要進一步確認產生異響的零部件。

（3）車輛分別采用11擋和12擋滑行進行主觀測評和頻譜分析時發現：車輛在70 km/h車速時存在明顯異響噪聲，頻率均為215 Hz，并且該頻率只與車速強相關，與發動機轉速和變速箱擋位無關，因此可以進一步排除發動機和變速箱的影響。分析結果見表1。

（4）通過分析，排除駕駛室、發動機和變速箱的影響后，整車與車速相關的旋轉部件主要有傳動軸、主減速器和輪胎，因此對這些部件的旋轉頻率進行計算分析。對于傳動軸和輪胎來說，其激振能量主要集中在1階和2階頻率。當12擋行駛時，變速箱的速比是0.78，在異響最明顯車速（70 km/h）下發動機轉速為1 120 r/min，因此傳動軸的1階頻率為1 120/（0.78×60）=23.9 Hz，2階頻率為23.9×2=47.8 Hz;后橋速比為4.111，輪胎的1階頻率為1 120/（0.78×4.111×60）=5.82 Hz，2階頻率為5.82×2=11.64 Hz。通過階次計算，傳動軸和輪胎的旋轉頻率均和異響頻率不一致，據此排除傳動軸和輪胎作為異響根源的可能。

后橋主減速器主動齒輪的齒數為9齒，12擋70 km/h行駛時，發動機轉速為1 120 r/min，主減齒輪嚙合階次為9/0.78=11.5階，嚙合頻率為（1 120×9）/（0.78×60）=215 Hz該頻率和計算與異響噪聲的頻率和階次完全一致，同時在異響頻率下后橋近場的噪聲最大，因此可以確認主減速器為駕駛室內異響噪聲的根源。

2.3 主減速器拆解分析

為了進一步確認后橋主減齒輪的問題，進而對后橋主減結構進行拆解分析發現：產生異響的主減齒輪正齒面和負齒面均存在多處刀痕過深、粗糙度差和起毛等制造加工問題，齒輪齒面的質量缺陷直接導致嚙合齒廓偏離理論的理想嚙合位置，破壞了齒輪正確的嚙合方式，導致齒輪的沖擊和碰撞，產生齒輪誤差激勵，從而產生齒輪噪聲問題。

經綜合分析整車實驗數據分析結果和后橋主減結構拆解分析結果得知，后橋主減齒輪是造成帶擋滑行室內異響的根本原因。

3 問題解決方案與效果驗證

3.1 解決方案

根據齒輪噪聲產生的機理和控制策略，該重型牽引車異響問題的原因是后橋主減齒輪加工精度不夠、齒面起伏不平、嚙合產生誤差激勵。因此，降低齒輪噪聲的首要措施是提高齒輪加工精度或是優化齒輪的齒形。經綜合考慮整改效果、加工工藝、整改成本及齒輪承載能力等多方面因素，最終選擇優化主減齒輪齒形作為解決方案。

3.2 效果驗證

通過優化后橋主減齒輪的齒形后，優化樣件重新裝車再進行道路NVH試驗和異響評價驗證，試驗工況與優化前相同，測試結果如圖3所示。

如圖3所示，在12擋滑行工況下，主減嚙合11.5階次噪聲明顯降低，在發動機1 200 r/min轉速下噪聲降低13.4 dB（A）;駕駛員耳旁噪聲總值降低了8.3 dB（A），主觀測評帶擋滑行異響消除，室內異響問題得到徹底解決。

4 結論

本文所用整車NVH試驗、傳遞函數測試分析及實際結構拆解與主觀評價相結合的方法能對駕駛室內異響問題進行有效識別并準確確定問題根源，在商用車NVH領域有一定的參考借鑒意義和工程應用價值。

基于所面對的具體異響問題提出的對后橋主減齒輪齒形進行優化的問題解決方案，經實車道路試驗驗證，該方案有效地解決了某商用車后橋導致的駕駛室內異響噪聲問題，從而改善了車輛整體駕乘舒適性，減少了顧客抱怨，提高了產品的市場競爭力。

參 考 文 獻

[1]郭慧燾.某輕型載貨汽車后橋異響機理與改進分析[D].長春：吉林大學，2012.

[2]錢汪燾.汽車驅動后橋NVH分析及優化[D].長沙：湖南大學，2014.

[3]肖文東.大型貨車后橋錐齒輪減振降噪技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4]胡磊，付暢，周君，等.汽車驅動橋噪聲分析及控制研究[J].公路與汽運，2007，21（6）：12-14.

[5]毛世偉，李光明，陳富強，等.NVH測試在汽車后橋異響噪聲源分析中的應用[J].汽車工程師，2011（11）：40-

42，45.