一款電動后橋異響分析與改進

焦傳梅，姚明良

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

在消費者對汽車舒適度及品質(zhì)的要求日益提高的背景下，汽車的噪音水平被逐步重視。后橋異響作為汽車常見的噪聲源之一，也成為各后橋廠家質(zhì)量管控的重要對象。一般設(shè)有在線檢測和道路測試兩個環(huán)節(jié)。道路測試可以比較真實、可靠的反映后橋噪音水平，在噪音改進方面具有重要指導(dǎo)意義。如某公司開發(fā)了一款電動后橋，其結(jié)構(gòu)如圖1。在道路測試中，車輛在行駛至20～30 km/h減速行駛（連續(xù)點剎）時，電機（轉(zhuǎn)速900 r/min左右）出現(xiàn)“嗒嗒”的異響，無法滿足整車的NVH指標要求。本文針對該典型問題進行了分析，并制定了解決方案。

圖1 后橋動力傳輸示意圖

1 問題分析及驗證

后橋異響出現(xiàn)在車輛已經(jīng)行駛15 000 km里程（包含壞路、高速路及一般路）以后，一般為零件疲勞失效所致。根據(jù)道路聽車情況，異響位置在后橋中部，疑似金屬碰撞，且在僅在上述工況產(chǎn)生。

1.1 減速器異響原因分析

減速器為二級減速，齒輪采用圓柱斜齒輪，動力傳動路徑為：Ⅰ軸在接到電機的輸入扭矩后通過齒輪傳遞至Ⅱ軸大齒輪，Ⅱ軸通過小齒輪傳遞至差速器總成，差速器總成通過花鍵傳遞至左、右半軸。

Ⅱ軸上大齒輪與Ⅱ軸通過平鍵連接，如圖2。結(jié)合減速器結(jié)構(gòu)、各零件配合關(guān)系分析，導(dǎo)致異響的因素如圖3。在此減速器設(shè)計中，差速器總成是借用公司成熟產(chǎn)品且質(zhì)量穩(wěn)定；差速器半軸齒輪與半軸花鍵配合公差沿用成熟產(chǎn)品的設(shè)計；電機輸出軸與Ⅰ軸花鍵配合在電機匹配時已經(jīng)通過驗證。綜上，如果橋殼、減殼相關(guān)裝配尺寸合格，可以確定異響發(fā)生在齒輪系中，即一級、二級齒輪傳動中。

圖2 Ⅱ軸與Ⅱ軸大齒輪的配合

圖3 減速器異響分析

1.2 減速器拆解分析

對故障件進行拆解分析，分析對象及過程如圖4。

圖4 拆解分析過程

經(jīng)測量橋殼、減殼、半軸相關(guān)尺寸滿足設(shè)計要求，目測各級齒輪均無失效。按照圖4流程，在對Ⅱ軸上的大齒輪齒面跳動測量（方法如圖5：固定齒輪軸，用手搖動齒輪）時，人耳可以聽到明顯的金屬撞擊聲，儀表跳動值顯示為1.5～1.8 mm（理論上應(yīng)小于0.23 mm），說明平鍵位置配合間隙很大。將Ⅱ軸大齒輪從Ⅱ軸上拆下來后發(fā)現(xiàn)，連接兩個零件的平鍵中部有明顯溝痕和磨痕（如圖6），壓痕位置與Ⅱ軸及大齒輪配合面在平鍵工作面上的位置基本一致，平鍵在溝痕處寬度實測7.491 mm，明顯小于設(shè)計（寬8 mm）要求。

圖5 Ⅱ軸大齒輪齒面跳動圖

圖6 失效平鍵

經(jīng)分析判斷，溝痕應(yīng)該是平鍵在本身強度不足，同時又受到不斷的沖擊載荷作用下產(chǎn)生的。因此，Ⅱ軸與大齒輪配合（鍵與鍵槽、軸與軸孔）很關(guān)鍵。通常情況下，齒輪與齒輪軸的連接方式通常選用花鍵連接、過盈壓裝后激光焊接或兩者合二為一（一體化鍛造加工），易于保證齒側(cè)間隙。由于本產(chǎn)品特殊的結(jié)構(gòu)，無法采用以上三種方式，最終選用了平鍵連接。設(shè)計時，平鍵按按照GB/T 1095（普通型 平鍵）選為鍵 8×7×32（材料為 35# 鋼，硬度為 HRC30～35），平鍵與鍵槽配合方式按照GB/T 1096（平鍵鍵槽的剖面）確定為過渡配合。為便于Ⅱ軸與Ⅱ軸大齒輪裝配，輪軸孔配合設(shè)計為間隙配合。在所有配合均為間隙的情況下，軸與齒輪間隙最大，也為平鍵受撞擊提供了條件。

對平鍵強度進行校核：按照《機械設(shè)計》[1]公式，強度條件為σp≤[σp]（σp：鍵連接工作表面的擠壓應(yīng)力，[σp]：許用擠壓應(yīng)力）。分別計算平鍵在電機額定、峰值扭矩工況下：σp為 206 MPa、503 MPa，查《機械設(shè)計》[1][σp]取 130 MPa，σp＞ [σp]，強度不滿足要求。

根據(jù)以上分析，可以判定后橋減速器異響的原因。由于間隙的存在，在車輛減速時，尤其是連續(xù)點剎時，平鍵工作面就受到不斷的撞擊。在車輛行駛一定里程后（文中后橋異響發(fā)生在車輛行駛15 000 km時），平鍵工作面受到?jīng)_擊變形嚴重，造成Ⅱ軸及Ⅱ軸大齒輪與平鍵配合面之間的間隙加大，也就出現(xiàn)了“嗒嗒”的齒面碰撞的聲音。因此，消除齒輪配合間隙，提高平鍵強度是消除該后橋減速器異響的關(guān)鍵。

1.3 試驗驗證

為盡快驗證上述結(jié)論，制定驗證方案如下：保持Ⅱ軸與Ⅱ軸大齒輪間隙配合不變，將平鍵與鍵槽配合改為過盈，驗證異響是否改善。具體實施：特制平鍵（8.08×7×32）匹配寬度為8 mm鍵槽，并提高硬度為HRC38～42，重新裝回原異響減速器。減速器裝配過程中，用圖5、7所示方法再次測量Ⅱ軸大齒輪齒面跳動、Ⅱ軸小齒輪與差速器被齒輪齒側(cè)間隙，分別為0.04～0.05 mm，0.24～0.25 mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。將減速器裝回原車輛路試驗證，異響消失。

因更改的平鍵材料及硬度，對其疲勞強度進行驗證。驗證方法如圖8：固定后橋左、右半軸輸出端，對減速器Ⅰ軸花鍵施加正反扭矩。試驗結(jié)果為：按照電機峰值扭矩，正反轉(zhuǎn)20萬次，平鍵無損壞。根據(jù)該車型路譜，高扭（峰值扭矩）工況僅占總工況的7%，而后橋齒輪疲勞的試驗評定標準是按照額定扭矩工況，均值壽命不低于50萬次。判斷此平鍵完全可以滿足設(shè)計需求。

圖7 齒側(cè)間隙測量

圖8 平鍵疲勞強度驗證

2 方案制定及實施

以上驗證了設(shè)計改進方向的正確性。為了使Ⅱ軸及Ⅱ軸大齒輪配合達到穩(wěn)定且合理的齒側(cè)間隙，更改平鍵的同時，將軸孔配合由間隙改為過盈。運用現(xiàn)有設(shè)備組織工藝驗證，通過更改零件的結(jié)構(gòu)及尺寸公差，選擇合理的過盈量。

2.1 平鍵重新選型

將 GB/T 1096 鍵 8×7×32改為非標件 10.08×8×32，材料為40Cr，硬度為HRC38-42。強度校核：計算σp在電機額定、峰值扭矩分別為139 MPa、340 MPa，查《機械設(shè)計》[1][σp]取 150 MPa。在額定扭矩下，σp＜[σp]，滿足強度要求。峰值工況下，強度雖不滿足，但結(jié)合上述的試驗驗證，經(jīng)過綜合評定，該平鍵可以滿足產(chǎn)品性能要求。

2.2 齒輪設(shè)計更改

Ⅱ軸鍵槽、Ⅱ軸大齒輪鍵寬由8 mm更改為10 mm，同時Ⅱ軸鍵槽深增加1 mm。兩零件與平鍵配合均由過渡改為過盈，過盈量分別設(shè)計為0.07~0.126 mm、0.052~0.108 mm。

更改Ⅱ軸徑與Ⅱ軸大齒輪孔徑配合公差，由過渡改為過盈，過盈量設(shè)計為0.003~0.029 mm。

3 結(jié)語

本文以車輛行駛至20~30 km/h減速行駛時后橋出現(xiàn)異響為例，結(jié)合道路測試情況和電動后橋特殊的減速器結(jié)構(gòu)，分析產(chǎn)生異響的因素。通過拆解測量分析，找出異響根源，并進行改進設(shè)計。優(yōu)化后的設(shè)計成功消除異響，順利通過了臺架驗證和道路耐久試驗。該設(shè)計經(jīng)驗已經(jīng)運用至同平臺其他后橋產(chǎn)品設(shè)計中，且NVH測試效果良好，噪音水平不高于52 dB，遠高于客戶對于后橋噪音不大于74 dB的要求，獲得客戶的認可和好評。