客車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)與噪聲研究

馬洪濤，唐正義，楊清（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

?

客車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)與噪聲研究

馬洪濤，唐正義，楊清
（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

摘要：驅(qū)動(dòng)橋是客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其振動(dòng)、噪聲水平對(duì)整車NVH性能的影響至關(guān)重要。文章通過驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲機(jī)理研究，并結(jié)合噪聲故障測試分析，得出了導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋噪聲問題的根本原因。最后，根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的處理方案并有效地解決了噪聲故障。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋；準(zhǔn)雙曲面齒輪；嚙合沖擊；傳遞路徑；共振

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U472.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-57-02

前言

驅(qū)動(dòng)橋噪聲是影響客車NVH性能的重要因素。在整車噪聲中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲因聲壓高占主要地位，但頻帶低、諧音重，對(duì)人耳刺激較輕。驅(qū)動(dòng)橋噪聲頻譜具有明顯的“梳形”特征，人耳可清晰地將其分辨出來，并在“人耳”這一主觀性較強(qiáng)的“濾波器”作用下，其噪聲被“刻意”放大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，驅(qū)動(dòng)橋噪聲常見的音色為低沉的“嗯嗯聲”。但在個(gè)別工況（如滑行、換擋）會(huì)表現(xiàn)為尖銳的嘯叫聲，音色為“嗷嗷聲”，從而嚴(yán)重降低整車NVH性能。據(jù)售后噪聲故障統(tǒng)計(jì)，嘯叫聲占驅(qū)動(dòng)橋噪聲故障的80％以上。

1、驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲激勵(lì)源分析

1.1準(zhǔn)雙曲面齒輪

客車驅(qū)動(dòng)橋齒輪普遍采用準(zhǔn)雙曲面齒輪，具有重合度高、傳遞力矩大、平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。但該齒輪曲面方程復(fù)雜，加工工藝難度大，對(duì)裝配精度要求較高。在裝配誤差與輪齒受載變形的影響下，易出現(xiàn)齒面邊緣接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重影響齒輪副疲勞壽命。因此，實(shí)際加工時(shí)均采取齒面修形（圖1），使接觸區(qū)向齒面內(nèi)部轉(zhuǎn)移。受限于加工設(shè)備及工藝條件，目前國內(nèi)基本采用拋物線修形。

圖1

齒面修形有效地解決了齒面邊緣應(yīng)力集中問題，提高了齒輪副的疲勞壽命。但造成齒輪副失配量大、傳動(dòng)誤差增加，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋齒輪在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生嚙入沖擊，最終引起振動(dòng)、噪聲問題。

1.2齒輪嚙入沖擊

目前，國內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋齒輪均采用拋物線修形工藝，這將導(dǎo)致齒輪嚙合時(shí)存在傳動(dòng)誤差。研究指出，齒輪修形將導(dǎo)致線外嚙合，即主、被動(dòng)齒輪在進(jìn)入嚙合的瞬間存在法向速度差，進(jìn)而產(chǎn)生嚙入沖擊。這種問題不僅發(fā)生在輕載工況，即使加載后，嚙入點(diǎn)擴(kuò)展到齒廓邊緣，沖擊問題依然存在。

圖2　驅(qū)動(dòng)橋噪聲頻譜示例

在測試中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)橋噪聲信號(hào)中含有大量齒輪嚙合頻率的高階諧頻成分（圖2）。根據(jù)振動(dòng)理論可知，只有沖擊性的周期信號(hào)才能產(chǎn)生高階諧頻分量。因此，噪聲頻譜可間接證明齒輪嚙合時(shí)存在較強(qiáng)的沖擊信號(hào)。

2、驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析

齒輪噪聲是驅(qū)動(dòng)橋噪聲的內(nèi)在形式，根據(jù)其傳遞路徑的特點(diǎn)可分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。對(duì)驅(qū)動(dòng)橋而言，結(jié)構(gòu)噪聲占主導(dǎo)地位，其傳遞路徑為：齒輪（軸）→軸承→殼體。從振動(dòng)學(xué)角度來看，傳遞路徑可等效為一個(gè)“濾波器”。因此，驅(qū)動(dòng)橋噪聲是內(nèi)部齒輪噪聲經(jīng)過驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械結(jié)構(gòu)過濾后的噪聲。換而言之，驅(qū)動(dòng)橋噪聲的頻譜特性是由齒輪嚙合沖擊與傳遞路徑共同決定的。因此，驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械機(jī)構(gòu)的頻響特性對(duì)驅(qū)動(dòng)橋噪聲的影響不容忽視。

3、驅(qū)動(dòng)橋售后噪聲案例測試與分析

下面以某型號(hào)客車驅(qū)動(dòng)橋的售后噪聲測試記錄為例，通過不同工況下噪聲的頻域?qū)Ρ龋治隽蓑?qū)動(dòng)橋齒輪及驅(qū)動(dòng)橋頻響特性對(duì)噪聲的影響。

3.1驅(qū)動(dòng)橋頻響特性對(duì)噪聲的影響

首先，通過敲擊模態(tài)測試，得到驅(qū)動(dòng)橋的頻響曲線（圖3）。

圖3　故障驅(qū)動(dòng)橋頻響特性曲線

隨后，對(duì)樣車進(jìn)行典型工況下的噪聲測試，聲級(jí)計(jì)放置在驅(qū)動(dòng)橋上方乘客區(qū)，噪聲頻譜采用A級(jí)權(quán)。在圖4可以看到，車速40km/h（雙點(diǎn)劃線）與90km/h（虛線）時(shí)，在聲音頻譜中驅(qū)動(dòng)橋齒輪嚙合頻率及其諧頻的幅值并不凸出，噪聲能量在整個(gè)頻帶范圍分布均勻。此時(shí)，人耳感覺噪聲柔和（嗯嗯聲），屬于可接受范疇。

但是，車速50km/h（細(xì)實(shí)線）時(shí)驅(qū)動(dòng)橋齒輪的一階頻率分量，即圖4中孤立、高聳的音頻分量，明顯高于其他音頻分量。此時(shí)可聽到刺耳的“嗷嗷聲”，并伴隨地板的劇烈抖動(dòng)。另外，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，確定“嗷嗷聲”正是由該頻率分量引起。

研究指出，隨著車速的增加，齒輪激勵(lì)能量隨之增加。但在橋殼頻響特性的影響下，車速50km/h時(shí)噪音反而明顯高于車速90km/h。綜合橋殼頻響曲線與噪音頻譜特征可知，車速50km/h時(shí)存在明顯的單模態(tài)共振。

綜合以上分析可知，造成驅(qū)動(dòng)橋嚴(yán)重噪聲問題的原因在于驅(qū)動(dòng)橋齒輪激勵(lì)頻率（含諧頻）與驅(qū)動(dòng)橋固有頻率重疊，在齒輪副嚙入沖擊的激勵(lì)下，引發(fā)強(qiáng)烈的單模態(tài)共振或多模態(tài)共振所致。

圖4　不同工況下，車內(nèi)噪聲頻譜分析

3.2齒輪嚙合沖擊對(duì)噪聲的影響

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)噪聲故障的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行主減速器齒輪副參數(shù)改進(jìn)與優(yōu)化，對(duì)嚙合沖擊與傳動(dòng)誤差進(jìn)行了精確控制。

圖5　更換前后50km/h時(shí)車內(nèi)噪聲對(duì)比

最后，對(duì)更換主減齒輪副的驅(qū)動(dòng)橋重新進(jìn)行噪聲測試。通過，更換前、后的噪聲測試結(jié)果對(duì)比可知（圖5），更換齒輪副后（點(diǎn)劃線）的驅(qū)動(dòng)橋噪聲柔和，分貝值明顯比更換前低（細(xì)實(shí)線）。

4、結(jié)束語

（1）驅(qū)動(dòng)橋噪聲的優(yōu)劣主要在于頻譜特性，即音色。進(jìn)一步講，噪音頻譜特性是由主減速器齒輪副嚙合沖擊與驅(qū)動(dòng)橋頻響特性共同決定；

（2）驅(qū)動(dòng)橋尖銳的嘯叫聲是由主減速器齒輪副嚙合沖擊激勵(lì)引發(fā)驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振所致；

（3）優(yōu)化主減速器齒輪副的齒面參數(shù)，降低嚙合沖擊與傳動(dòng)誤差，可有效地降低驅(qū)動(dòng)橋噪聲。

參考文獻(xiàn)

[1]儀垂杰,張建,宋雷鳴.汽車后橋噪聲的分析與試驗(yàn)研究[J].汽車工程,1994,16(5):289~295.

[2]郭年程,史文庫,劉文軍.等.輕型客車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲源分析與改進(jìn)[J].振動(dòng)、測試與診斷,2012,32(4):608~613.

[3]方宗德,劉濤,鄧效忠.基于傳動(dòng)誤差設(shè)計(jì)的弧齒錐齒輪嚙合分析[J].航空學(xué)報(bào),2002,23(3):226~230.

[4]唐進(jìn)元,周煒,陳思雨.齒輪傳動(dòng)嚙合接觸沖擊分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(7):22~29.

Study on the Vibration and Noise of Passenger Car Drive Axle

Ma Hongtao, Tang Zhengyi, Yang Qing
( Shaanxi HanDe Axle Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710201 )

Abstract:Drive axle is the important participation of the drive train for passenger car, its vibration & noise level affect the entirety NVH performance.This paper findout the primary reason of drive axle noise by vibration & noise theory research and test of drive axle. Finally, solve the noise fault based on the research conclusion.

Keywords:drive axle; hypoid gear; mesh impact; transfer path; resonance

中圖分類號(hào)：U472.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-57-02

作者簡介：馬洪濤，碩士研究生，就職于陜西漢德車橋有限公司，主要從事客車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲分析工作。