整車后橋異常噪聲分析與優化

張偉龍 ，鄔忠永 ，丁保安 ，郭 彬 ，李秀山

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

現代社會消費者對汽車性能及舒適性要求很高，噪聲與振動問題越來越突出[1]。機械噪聲是工業的產物，噪聲不僅妨礙機械技術的進步，而且影響著人類的身心健康，齒輪是產生噪聲的主要機器零件[2]，且研究較多。它能引起聽力、神經系統、消化系統等多種疾病，分散注意力，使工作效率下降，因此研究結構件輻射噪聲非常重要，但相關研究僅限于理論研究，未將研究成果應用到實際故障解決中。

本文對后橋噪聲產生機理和特性進行了分析，并通過NVH試驗及頻譜分析及濾波回放的Sound analysis方法對后橋噪聲進行了分析，并提出優化方向，有效地優化了整車噪聲，從而為解決后橋噪聲異常問題提供了可借鑒的方法。

1 齒輪噪聲產生機理

齒輪噪聲包括低頻噪聲和高頻噪聲。人的聽覺對低頻感受不太靈敏，此種噪聲雜亂無章，沒有規律[3]。齒輪噪聲主要是高頻噪聲，其產生原因一方面是基節偏差，在齒輪分離和嚙合時，齒輪每轉一齒，主動齒輪和從動齒輪之間會產生一次撞擊；另一方面是齒形誤差，在同樣誤差量下，中凹齒輪噪聲比鼓形齒大。

2 后橋異常噪聲案例分析

2.1問題描述

某商用車在中高轉速時，出現整車噪聲大問題，且車速越高問題越嚴重，異響噪聲主觀感受為“尖銳”的聲音，嚴重影響了乘客舒適性。

2.2試驗分析

首先進行了行駛工況整車車內噪聲和傳動系振動試驗。其中圖1～圖4分別為5檔80 km/h、6檔80 km/h、5檔90 km/h和6檔90 km/h駕駛員耳旁噪聲ColorMap圖，表1為不同檔位和車速時車內異響噪聲頻率。

圖15 檔80km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖26 檔80km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖35 檔90km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

圖46 檔90km/h駕駛員耳旁噪聲Colormap圖

表1 不同檔位和車速時車內異響噪聲頻率

由以上數據可知，異響噪聲的頻率與車速相關，與發動機轉速無關。

在車內座椅及傳動軸與后橋連接處發現與異響噪聲相同頻譜的振動信號，發動機上沒有。圖5～圖6為5檔80 km/h時傳動軸后端、座椅、發動機測點的振動頻譜。

圖55 檔80km/h傳動軸后端振動Colormap圖

圖65 檔80km/h座椅振動Colormap圖

圖75 檔80km/h發動機測點振動Colormap圖

如上圖所示，異響噪聲的頻率與車速相關，與發動機轉速無關，以及發動機上沒有異常振動信號，因而可以確定異響噪聲與發動機無關。排除發動機后，與車速相關的旋轉部件就只有傳動軸、主減速、前后橋及輪胎。表2為5檔80 km/h傳動系統主要零部件的激振頻率。

表25 檔80km/h傳動系統主要零部件的激振頻率

對于傳動軸和輪胎來說，其激振主要是1階、2階激振。5檔80 km/h時，傳動軸的1階激振頻率為1 400/60=23.3 Hz，2階激振頻率為46.6 Hz；后橋速比為3.56，因而輪胎的1階激振頻率為23/3.56=6.5 Hz，2階激振頻率為13 Hz.因而基本可以排除傳動軸及輪胎的問題。

主減速器輸入齒輪的齒數為11，5檔80 km/h時，其嚙合頻率為23.3×11=256.3 Hz，與異響噪聲的頻譜一致。同時傳動軸與后橋連接處的異常振動信號明顯，判定主減速器為的異響噪聲的激勵源。

2.3優化措施及效果驗證

2.3.1優化措施

根據齒輪嚙合噪聲產生的機理分析，齒輪運轉過程中主要是由于輪齒在嚙合過程中產生“節線沖力”和“嚙合沖力”所激起的。齒輪精度對齒輪噪聲的影響極大，減低齒輪噪聲的第一個措施就是提高齒輪精度。對于齒距誤差，圖8為各輪齒在不同的基節誤差時噪聲的情況[4]。

圖8 齒距誤差對噪聲的影響

由于整車是成熟車型，不宜對其進行較大改動，且耗費時間較長。在保證齒輪類型、參數和結構形狀不變前提下，調整齒輪嚙合齒距容易實現，是一種低成本很有效的方法。

2.3.2效果驗證

調整后橋齒輪嚙合距離，重新裝機后對整車進行NVH試驗，試驗工況與優化前相同。其中圖9為優化前后5檔80 km/h工況駕駛員噪聲Overall Level對比曲線，圖10為優化前后5檔80 km/h駕駛員耳旁噪聲ColorMap對比圖，圖11為優化前后5檔80 km/h駕駛員噪聲1/3倍頻程對比圖。

圖9 優化前后5檔80km/h駕駛員噪聲Overall Level對比曲線

圖10 優化前后5檔80km/h駕駛員噪聲ColorMap對比圖

圖11 優化前后5檔80km/h駕駛員噪聲1/3倍頻程對比圖

如圖9～圖11所示，在5檔80 km/h工況下，優化后駕駛員噪聲降低2～3 dB（A），噪聲大問題解決。優化后5檔80 km/h工況下駕駛員噪聲主要頻率125 Hz和250 Hz聲壓明顯減弱，250 Hz中心頻率（1/3倍頻程）處對應的噪聲值降低了3 dB（A）左右。

3 結束語

本文首先對齒輪噪聲產生機理和特性進行了分析，然后針對某長途客車整車噪聲大故障為例，通過NVH試驗及聲診斷分析手段，確定了后橋齒輪噪聲為整車異常噪聲主要噪聲源，并采用了優化后橋齒輪噪聲便利的途徑：通過調整齒輪間隙，降低齒形誤差、齒面粗糙度和齒面誤差對噪聲的影響。優化后試驗結果表明，駕駛員噪聲降低2～3 dB（A），不僅降低了噪聲值，而且整車異響消失，聲品質也明顯提升，從而驗證了分析方法的正確性及控制方法的有效性。

參考文獻：

[1]龐 劍，諶 剛，何 華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]韓香麗.齒輪噪聲之探究[J].山西機械，2010，9（3）：28-30.

[3]劉長付.摩托車齒輪精度與噪聲[J].山東農機，2000（5）：11-12.

[4]朱 革，彭東林，張興紅，等.齒輪振動噪聲分析及控制[J].齒輪設計與加工，2002（10）：48-51.