道路試驗(yàn)下某重型商用車駕駛室嘯叫聲源定位

楊紅波， 郭 磊， 史文庫， 陳志勇， 趙燕燕， 劉 健， 苑仁飛

(1. 吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春 130025； 2. 中國重汽集團(tuán)汽車研究總院, 濟(jì)南 250100)

伴隨著市場發(fā)展，商用車公路運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位[1]。現(xiàn)今，隨著重型商用車駕駛員向著年輕化發(fā)展，并且噪聲法規(guī)要求日益嚴(yán)格，車輛的NVH問題日益得到各汽車廠家的重視[2]。與乘用車相比，重型商用車具有如下特點(diǎn)：就動(dòng)力系統(tǒng)而言，重型商用車普遍搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其輸出扭矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大；就變速箱而言，重型商用車采用多擋位主副變速箱系統(tǒng)，如12擋變速系統(tǒng)、16擋變速系統(tǒng)，且副箱多配置行星齒輪機(jī)構(gòu)以使空間更加緊湊；就驅(qū)動(dòng)橋而言，重型商用車普遍采用中后雙驅(qū)動(dòng)橋形式，且在中橋配置一對(duì)圓柱齒輪副實(shí)現(xiàn)動(dòng)力向后橋的傳遞[3]。通過試驗(yàn)對(duì)重型商用車的NVH問題進(jìn)行根源定位并進(jìn)行分析、評(píng)估和改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前針對(duì)其進(jìn)行的研究相對(duì)較少，但國內(nèi)外針對(duì)其他車型以及各總成進(jìn)行的試驗(yàn)與理論分析可為本研究提供一定的借鑒和參考。

于蓬等[4-8]針對(duì)某集中式驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)車進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了該車的動(dòng)力總成系統(tǒng)振動(dòng)特性、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性、整車抖動(dòng)特性及噪聲與振動(dòng)特性，針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該車的NVH問題進(jìn)行了總結(jié)與分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。張邦基等[9]針對(duì)某搭載行星減速器的純電動(dòng)客車進(jìn)行了實(shí)車振動(dòng)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了行星減速器對(duì)純電動(dòng)客車振動(dòng)舒適性的影響。張新剛[10]基于試驗(yàn)研究，對(duì)某客車在怠速工況下的振動(dòng)噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，并從動(dòng)力總成懸置的角度進(jìn)行了優(yōu)化。Zeng等[11]針對(duì)某搭載多擋自動(dòng)變速器的純電動(dòng)客車進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)造成車內(nèi)地板抖動(dòng)的原因進(jìn)行了定位并提出了改進(jìn)措施。王媛文等[12]針對(duì)某前置后驅(qū)車輛在低轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)的轟鳴聲進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了該問題的激振源與傳遞路徑并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。相龍洋等[13]針對(duì)某汽車手動(dòng)變速器，對(duì)引發(fā)變速器箱體表面振動(dòng)噪聲的問題源進(jìn)行了識(shí)別，并給出了兩種優(yōu)化途徑。張容川等[14]針對(duì)某搭載CVT的車輛進(jìn)行了噪聲測試，識(shí)別出了行星齒輪機(jī)構(gòu)的嘯叫階次并有針對(duì)性地進(jìn)行了齒輪修形優(yōu)化。Feng等[15]對(duì)非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的行星齒輪箱進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)最后的診斷結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了優(yōu)化方案。Luo等[16]以某一典型的特種車輛為例，通過試驗(yàn)分析了車輛內(nèi)部噪聲的頻譜特性，對(duì)其聲源進(jìn)行了定位。Dunai等[17]研究了寶馬530d車型在室外高速公路以不同車速行駛時(shí)由抖振引起的噪聲問題，并對(duì)聲源進(jìn)行了定位，確定了抖振噪聲效應(yīng)與聽者的相對(duì)位置關(guān)系。Deng等[18]對(duì)某車輛駕駛室內(nèi)出現(xiàn)的異常噪聲進(jìn)行了識(shí)別，確定了輪胎聲腔共振對(duì)其起主要貢獻(xiàn)量，并對(duì)輪胎進(jìn)行了聲學(xué)處理，改善了車內(nèi)噪聲問題。

上述研究針對(duì)汽車整車和各分總成進(jìn)行了一定的試驗(yàn)，并取得了一定的研究成果，但幾乎沒有研究者針對(duì)重型商用車進(jìn)行系統(tǒng)的NVH試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的振動(dòng)噪聲源定位。重型商用車具有前述所討論的不同于乘用車的特點(diǎn)，針對(duì)具體問題，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究具體深刻的實(shí)際意義。本文針對(duì)某重型商用車在7擋加速工況下駕駛室內(nèi)出現(xiàn)的嘯叫噪聲問題，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，對(duì)樣車進(jìn)行NVH試驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，結(jié)合理論研究成果，對(duì)振動(dòng)噪聲源進(jìn)行定位，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為樣車的性能改進(jìn)提供方案與建議，為相似問題的理論與試驗(yàn)分析提供借鑒。

1 樣車嘯叫問題

1.1 駕駛室嘯叫噪聲分析

本文所研究樣車為某重型商用車，該樣車在中低擋位即8擋及以下時(shí)駕駛室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一種比較明顯的類似口哨聲的嘯叫噪聲，且在臥鋪位置更加明顯，以7擋發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 100～1 700 r/min時(shí)最為突出。當(dāng)擋位超過8擋后，嘯叫噪聲明顯降低。考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)力傳遞路徑及嘯叫噪聲的產(chǎn)生原因，初步推測為變速箱或驅(qū)動(dòng)橋齒輪系統(tǒng)的嚙合激勵(lì)引起。

1.2 樣車主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)所研究樣車，其牽引車動(dòng)力總成采用直列六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并匹配16擋AMT手自一體變速箱，采用中、后雙驅(qū)動(dòng)橋和一段式傳動(dòng)軸形式。樣車的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

針對(duì)樣車所搭載的AMT手自一體變速箱，其由主箱和副箱組成，主箱采用多級(jí)圓柱齒輪結(jié)構(gòu)，副箱采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，共組成16個(gè)前進(jìn)擋和2個(gè)倒擋。主、副箱高低擋位變換均采用減速擋和直接擋組合的形式實(shí)現(xiàn)，其中主箱采用接合套切換與變速箱前端兩組圓柱齒輪副的連接實(shí)現(xiàn)；副箱采用接合套鎖止外齒圈或聯(lián)鎖外齒圈與行星架的方式實(shí)現(xiàn)。變速箱詳細(xì)擋位布置形式如圖1所示，考慮到實(shí)際需要，在結(jié)構(gòu)圖下方僅給出了7擋(4L擋)和8擋(4H擋)的傳力示意圖，另外，本文對(duì)2個(gè)倒擋不做研究。

針對(duì)問題擋位，變速箱主箱對(duì)應(yīng)的7擋和8擋圓柱齒輪副齒數(shù)分配以及副箱外齒圈、太陽輪和行星輪齒數(shù)分配如圖2所示，另外，行星輪數(shù)量為5。中后驅(qū)動(dòng)橋各采用一對(duì)準(zhǔn)雙曲面錐齒輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪齒數(shù)分別為14和38，中橋位置向后橋傳遞動(dòng)力的過渡圓柱齒輪副主被動(dòng)輪齒數(shù)均為38。

2 整車道路試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)樣車在整車加載條件下進(jìn)行道路試驗(yàn)，采集轉(zhuǎn)速及振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，分析與定位駕駛室嘯叫噪聲產(chǎn)生的根源，為所研究車型NVH性能的改善提供參考和依據(jù)。加載試驗(yàn)采用牽引車拖拽掛車的方式進(jìn)行，加掛條件下整車質(zhì)量為49 t。

2.2 傳感器布置

試驗(yàn)設(shè)備主要包括LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集前端、日本小野磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、德國GRAS聲學(xué)傳感器和美國PCB三向加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集軟件為與前端匹配的LMS Test.lab。所用三種類型傳感器的詳細(xì)布置情況如表2所示；包括型號(hào)、靈敏度和精度在內(nèi)的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表2 各類型傳感器布置Tab.2 Arrangement of three types of sensors

表3 傳感器主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of three types of sensors

數(shù)據(jù)采集前端及軟件如圖3(a)所示；圖3(b)為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪位置布置的轉(zhuǎn)速傳感器，其主要用于轉(zhuǎn)速追蹤，獲取振動(dòng)噪聲測量位置的階次特征。參考GB/T 18697—2002汽車車內(nèi)噪聲測量方法[19]，如圖4所示，在駕駛員耳側(cè)、副駕耳側(cè)和臥鋪頭枕上方各布置一個(gè)聲學(xué)傳感器，另外在變速箱近場布置一個(gè)聲學(xué)傳感器以進(jìn)一步研究變速箱位置噪聲向駕駛室的傳遞。三向加速度傳感器的布置如圖5所示，布置位置包括變速箱殼體、中后橋殼體和車架上方。此處定義整車坐標(biāo)系方向?yàn)椋貉剀囕v前進(jìn)方向向后為正X方向，垂直于地面向上為正Z方向，正Y方向根據(jù)右手坐標(biāo)系確定。所用四個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器在整車坐標(biāo)系中的方向及歐拉角如表4所示。

表4 加速度傳感器位置及歐拉角Tab.4 The direction and Euler angle of acceleration sensors

2.3 試驗(yàn)工況

道路試驗(yàn)在國內(nèi)某專業(yè)的汽車試驗(yàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)條件滿足汽車道路試驗(yàn)方法通則[20]。試驗(yàn)中，采集樣車在7擋手動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自550 r/min升至2 000 r/min的過程中，各測點(diǎn)處的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)。變速箱在7擋工作模式下，其功率流向如圖6所示，動(dòng)力先后經(jīng)過主箱兩對(duì)圓柱齒輪副和副箱行星齒輪機(jī)構(gòu)。其中副箱鎖止外齒圈，功率從太陽輪輸入，行星架輸出。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與噪聲源定位

3.1 駕駛室內(nèi)噪聲

以發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行追蹤，即曲軸和變速箱主箱輸入軸的旋轉(zhuǎn)階次均為1階。在試驗(yàn)工況下測得的駕駛室內(nèi)主駕耳側(cè)、副駕耳側(cè)和臥鋪頭枕位置的噪聲結(jié)果圖7所示，圖中階次成分即表現(xiàn)出典型的嘯叫特性。可以看出，除發(fā)動(dòng)機(jī)3階、6階以及附件旋轉(zhuǎn)軸系的一些激勵(lì)階次外，在三張Colormap圖中均出現(xiàn)了明顯的28階激勵(lì)成分。另外，噪聲峰值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與前期主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致。

3.2 變速器近場噪聲及殼體振動(dòng)

為進(jìn)一步分析與定位駕駛室內(nèi)嘯叫噪聲的來源，提取變速箱近場噪聲和殼體振動(dòng)的Colormap圖，其結(jié)果分別如圖8和圖9所示，其中殼體振動(dòng)結(jié)果僅取最為明顯的X方向。可以看出，在整體變化趨勢上，噪聲結(jié)果與駕駛室內(nèi)的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同，28階激勵(lì)最為明顯，同時(shí)還出現(xiàn)了一定的42階成分；在噪聲量級(jí)上，變速箱近場噪聲值明顯高于駕駛室內(nèi)部噪聲；另外，相比于其他階次成分，變速箱殼體28階激勵(lì)最為突出。

3.3 中后橋殼體及車架振動(dòng)

進(jìn)一步提取中后橋及車架上方X方向的振動(dòng)加速度，結(jié)果如圖10所示，可以看出，除發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)階次以及28階和42階激勵(lì)外，并未出現(xiàn)其他異常階次，并且從中橋向后橋的振動(dòng)明顯減弱。

3.4 整體對(duì)比分析

提取變速箱近場和駕駛室三個(gè)測點(diǎn)的噪聲Overall level曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖11所示；同時(shí)提取變速箱殼體和中后橋及車架上方的振動(dòng)加速度Overall level曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖12所示。

綜合圖11和圖12可以看出，就噪聲而言，在變速箱近場噪聲向駕駛室內(nèi)傳遞的過程中，能量明顯減弱；就振動(dòng)而言，中后橋及車架位置的整體振動(dòng)水平明顯低于變速箱殼體。

對(duì)噪聲和振動(dòng)最明顯的變速箱近場和殼體進(jìn)行切片分析，提取3階、6階、28階和42階切片，結(jié)果如圖13和圖14所示。初步來看，無論對(duì)于噪聲還是振動(dòng)，28階激勵(lì)貢獻(xiàn)量最大，42階激勵(lì)的貢獻(xiàn)量也大于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。

進(jìn)一步對(duì)0～2 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲和振動(dòng)水平進(jìn)行量化，將其均值以直方圖的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，結(jié)果如圖15和圖16所示。

經(jīng)計(jì)算可知，28階激勵(lì)對(duì)總噪聲水平的貢獻(xiàn)量為85.17%，對(duì)總振動(dòng)水平的貢獻(xiàn)量為35.91%, 其對(duì)整體噪聲和振動(dòng)水平的貢獻(xiàn)量均大于其余階次。針對(duì)這種高階次激勵(lì)，初步推測駕駛室嘯叫噪聲來源于變速箱齒輪嚙合。

3.5 噪聲源定位與改善措施

針對(duì)本樣車搭載的直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，3階和6階對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)階次。根據(jù)圖6所示變速箱在7擋下的功率流走向并結(jié)合圖2中7擋對(duì)應(yīng)的齒輪副齒數(shù)分配可知，以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)階次為參考，主箱第一級(jí)齒輪副嚙合階次為34階，通過傳動(dòng)比計(jì)算，得主箱兩級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為1.21，主箱第二級(jí)齒輪副嚙合階次為31.4階。就副箱行星齒輪系統(tǒng)而言，相比于定軸輪系，行星齒輪不僅需要繞自身軸線自轉(zhuǎn)，還要繞太陽輪公轉(zhuǎn)，振動(dòng)激勵(lì)呈現(xiàn)多樣化，振動(dòng)特性較為復(fù)雜[21-24]。當(dāng)固定外齒圈，太陽輪驅(qū)動(dòng)行星輪及行星架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一減速器，其傳動(dòng)比為：

(1)

式中：zring為外齒圈齒數(shù)；zsun為太陽輪齒數(shù)；iplanetary為固定外齒圈時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；f0為太陽輪輸入轉(zhuǎn)頻；f1為行星架輸出轉(zhuǎn)頻。

參考圖2副箱齒數(shù)分配，在式(1)中代入外齒圈和太陽輪齒數(shù)，得iplanetary=4.32，于是在7擋工作模式下，變速箱傳動(dòng)比為5.23。行星架的旋轉(zhuǎn)階次，即中橋和后橋輸入軸的旋轉(zhuǎn)階次為0.19，錐齒輪嚙合階次為2.68階，中橋至后橋的過渡圓柱齒輪副的嚙合階次為7.30階。通過上述計(jì)算，并對(duì)比噪聲和振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，可以確定駕駛室嘯叫噪聲不是由變速箱主箱和中后橋齒輪副嚙合激勵(lì)引起。

對(duì)于副箱行星齒輪機(jī)構(gòu)，其在嚙合過程中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)頻率成分，其定義和求解分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：n為行星輪個(gè)數(shù)；zplanet為行星輪齒數(shù)；[…]為分式取整；f2為齒圈任一個(gè)齒與行星輪的嚙合頻率；f3為太陽輪任一個(gè)齒與行星輪的嚙合頻率；f4為行星輪任一個(gè)齒與太陽輪或外齒圈的嚙合頻率；f5為單個(gè)行星輪與外齒圈的嚙合頻率；f6為所有行星輪與外齒圈的嚙合頻率；f7為因齒距誤差造成的單個(gè)行星輪與外齒圈的嚙合頻率。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)頻為1 Hz時(shí)，結(jié)合式(1)～式(8)，經(jīng)計(jì)算，f1～f7的值分別為0.19 Hz，0.96 Hz，3.19 Hz，0.56 Hz，14.02 Hz，70.08 Hz和13.44 Hz。所以，單個(gè)行星輪與齒圈的嚙合階次為14.02階，整車摸底試驗(yàn)中出現(xiàn)的28階和42階對(duì)應(yīng)單個(gè)行星輪與外齒圈嚙合階次的2次和3次諧階次；再者，根據(jù)噪聲與振動(dòng)的Colormap可以看出，諧階次能量明顯高于14.02階能量，這主要是由行星齒輪公轉(zhuǎn)軸線與外齒圈軸線出現(xiàn)偏置造成的[25]。

針對(duì)本樣車駕駛室出現(xiàn)的嘯叫噪聲，通過整車道路摸底試驗(yàn)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和理論分析，可以確定噪聲源來自變速箱副箱行星齒輪機(jī)構(gòu)，是由行星輪與外齒圈的嚙合引起的。下一步可通過調(diào)整行星輪與外齒圈的宏觀幾何參數(shù)，齒面微觀修形參數(shù)或改變行星輪齒數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；并進(jìn)一步減小裝配誤差，調(diào)整行星輪和外齒圈軸線，消除軸線偏置造成的不良影響。

4 結(jié) 論

(1)本文通過整車加載道路試驗(yàn)獲取了樣車駕駛室內(nèi)噪聲、變速箱近場噪聲，變速箱殼體和中后橋殼體以及車架上方的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，各噪聲和振動(dòng)測點(diǎn)的Colormap圖和整體結(jié)果對(duì)比曲線表明，所測位置除發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)外，還受到28階和42階激勵(lì)的影響，且在變速箱近場和殼體位置最為突出。在噪聲從變速箱近場向駕駛室傳遞的過程中，能量明顯減弱；在中后橋及車架位置的振動(dòng)水平低于變速箱殼體，且未出現(xiàn)其他異常階次。

(2)對(duì)變速箱主箱參與動(dòng)力傳遞的兩組嚙合齒輪副進(jìn)行了階次計(jì)算，對(duì)中后橋位置的兩組錐齒輪副進(jìn)行了階次計(jì)算，結(jié)果表明駕駛室內(nèi)的嘯叫噪聲不是這兩個(gè)位置的齒輪副嚙合激勵(lì)引起的。進(jìn)一步對(duì)變速箱副箱行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)頻及階次計(jì)算，結(jié)果表明，單個(gè)行星輪與外齒圈的嚙合階次為14.02階，其2次和3次諧階次分別為28階和42階，對(duì)應(yīng)各測點(diǎn)位置噪聲和振動(dòng)最明顯的階次成分，表明駕駛室嘯叫噪聲是由變速箱副箱行星齒輪機(jī)構(gòu)引起的。針對(duì)問題根源，提出了相應(yīng)的改善措施。

未來的研究工作將針對(duì)引起駕駛室嘯叫噪聲的行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，探究齒輪副宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)，齒面微觀修形參數(shù)以及行星輪個(gè)數(shù)對(duì)所研究問題的影響規(guī)律，并進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)措施的合理性。