齒面加工誤差引起的純電動客車加速異響分析

林銀聚

(廈門金龍聯合汽車工業有限公司， 福建 廈門 361023)

與傳統客車相比，純電動客車動力傳動系統的結構和模式發生了變化。由于電機的轉矩特性與發動機不同，其激勵特性較傳統客車也有較大差異。純電動客車動力傳動系呈弱阻尼特性，對齒輪系的曠響等異響噪聲控制提出了新的挑戰。

加速異響是目前純電動客車比較常見和急需解決的問題。表現在全油門加速過程中，某一車速段出現嘯叫、異響，嚴重時伴有車身抖動現象，影響駕乘舒適性。其原因有主減速器齒輪問題、電機激勵問題、傳動系角度問題等。本文分析和解決由齒面加工誤差引起的加速異響問題。

1 整車基本參數及加速異響癥狀

1.1 整車基本參數

某中央直驅式[1]純電動客車，其動力傳動系統主要包括驅動電機、傳動軸、減速器總成、左右半軸、左右車輪。驅動電機為永磁同步電機，電機極對數6, 定子槽數72[2]。后橋主減速器主動齒數7,從動齒數43。輪胎滾動半徑0.424 m。整車噪聲指標要求如下：

1) 50 km/h勻速行駛工況[3]：駕駛區≤74 dB(A)，乘客區≤76 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速工況[4]：駕駛區≤78 dB(A)，乘客區≤84 dB(A)。

1.2 加速異響癥狀

整車路試中發現，低速到高速加速過程，車內噪聲大、刺耳，主觀感覺聲品質差，用LMS Test.Lab[5]噪聲振動測試系統測試車內噪聲數據如下：

1) 50 km/h勻速行駛：駕駛區74.4 dB(A)，乘客區中排80.0 dB(A)，乘客區后排76.4 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速(峰值)：駕駛區77.4 dB(A)，乘客區中排89.19 dB(A)，乘客區后排79.2 dB(A)。

從測試數據可以看出，50 km/h勻速工況，駕駛區和乘客區噪聲超過噪聲指標要求；10～50 km/h全油門加速工況,乘客區噪聲超過噪聲指標要求，且主觀評價聲音品質差[6]。

2 加速異響問題分析及解決措施

2.1 原始狀態原因分析

主觀不能明確判斷出是電機還是驅動橋發出的異響，結合整車噪聲頻譜和驅動橋、電機的振動頻譜，采用階次跟蹤分析法查找噪聲產生原因。采用LMS Test.Lab多通道測試系統采集振動、噪聲和轉速信號，并通過FFT得到清晰的color脈譜圖(即階次譜圖)[7-10]。

采用中央直驅電機的傳動軸轉速等于電機軸轉速，以電機軸轉速作為傳動軸振動的基礎頻率(1階)，K階對應的頻率是基頻的K倍。電機軸基頻f0=n/60；電機電頻率fe=np/60；其中n為電機軸轉速，p為電機極對數6,則fe相對f0的階次Kd=fe/f0=6階。電機振動頻譜中主要頻率成分包含電機軸轉頻、電機電頻及其倍頻和邊頻。同理，驅動橋主動齒數7，則驅動橋主動齒輪嚙合頻率fq相對電機軸轉頻f0的階次為7階。驅動橋振動頻譜中主要頻率成分包含傳動軸轉頻、齒輪嚙合頻及其倍頻和邊頻。

為便于分析問題，截取全油門加速車內噪聲測試譜，如圖1所示。從圖中可知，在傳動軸轉速1 433.5 r/min(對應車速37.29 km/h)時，車內中排瞬時最大噪聲達到89.19 dB(A),且現場主觀感受此時車內噪聲存在明顯異響。

圖1 全油門加速車內噪聲測試結果

以下分析中排噪聲頻譜產生異響原因。全油門加速工況中排噪聲脈譜如圖2所示。結合圖1、圖2分析得知，此工況下車內中排噪聲主要貢獻量來自于圖2所示的35階～42階振動能量[11]。

圖2 全油門加速車內中排color脈譜圖

1) 電機和驅動橋振動脈譜分析。圖3為全油門加速時驅動橋主減速器小端處的Z向振動color脈譜圖。可以看出，在35階～42階存在明顯的能量峰值；圖4所示的電機Z向振動幅值只在36階處存在明顯的能量。說明車內中排噪聲在35階～42階處的能量主要來自于驅動橋主減速器。

圖3 全油門加速后橋主減速器Z向振動color脈譜圖

圖4 全油門加速電機Z向振動color脈譜圖

2) 傳動軸扭矩波動分析。根據上述分析不能簡單判斷是驅動橋主減速器自身問題，還是電機扭矩波動大引起激勵產生較大的主減速器嚙合噪聲問題。因此，在傳動軸上貼應變片，測試傳動軸扭矩。全油門加速工況傳動軸扭矩測試結果如圖5所示。

圖5 全油門加速工況傳動軸扭矩測試結果

由圖5可以看出，在車速37.29 km/h(對應傳動軸轉速1 433.5 r/min)時，傳動軸扭矩瞬時有效值為 1 591.55 Nm，上下波動63.7 Nm，扭矩波動幅值4%，滿足驅動橋的扭矩要求(扭矩波動幅值動≤5%),故排除扭矩波動因素。因此，可以判斷是由驅動橋主減速器齒輪加工誤差引起的加速異響。

2.2 更換后橋主減速器測試分析

為進一步分析原因，更換主減速器總成后再次整車路試采集勻速及加速工況下車內噪聲數據如下：

1) 50 km/h勻速行駛。駕駛區73.8 dB(A)，乘客區中排77.5 dB(A)，乘客區后排73 dB(A)。

2) 10～50 km/h全油門加速行駛。駕駛區74.7 dB(A)，乘客區中排82.5 dB(A)，乘客區后排76.7 dB(A)。

通過前后對比分析可知： 50 km/h勻速工況下，車內最大噪聲相對原狀態降低了2.5 dB(A)；10～50 km/h全油門加速工況下，車內最大噪聲相對原狀態降低了6.69 dB(A)。更換主減速器后各工況噪聲均滿足整車噪聲指標要求。

3) 中排噪聲color脈譜圖對比。更換主減速器后全油門加速工況車內中排噪聲color脈譜圖見圖6。

圖6 換主減速器后車內中排噪聲color脈譜圖

通過對比圖6和圖2可以看出，更換后的車內中排噪聲在35階～42階處的能量相對原狀態大幅度降低，現場主觀感受到車內異響消失。

2.3 主減速器拆檢分析

拆檢原車驅動橋主減速器，發現主減速器主動齒驅動面有約45°放射狀條紋。如圖7所示。

圖7 齒面出現45°放射狀條紋

從動齒驅動面局部磨痕突出。齒輪齒面加工時產生的條紋方向應該平行于齒頂，不會出現45°方向的放射狀條紋，分析其原因是裝車運行后齒面發生的磨損。進一步分析驅動橋35階～42階異響是否是齒面45°方向放射狀條紋產生的，將拆下的主減速器裝到臺架上測試其噪聲：按750～1 500(間隔250)r/min 輸入轉速進行空載噪聲測試，結果發現：在 1 250 r/min 輸入轉速時，驅動橋的水平和垂直方向噪聲值分別為79.2 dB(A)和78.1 dB(A)；在1 500 r/min輸入轉速時，驅動橋的水平和垂直方向噪聲值分別為81.6 dB(A)和79.2 dB(A)。均超過企標要求的78 dB(A)，判定為不合格。出現該現象的原因分析如下：

1) 齒面未修正磨平。驅動橋主減速器主動齒輪與從動齒輪有偏置距，齒輪嚙合時，齒面會發生滑移。當齒面未修磨平整時，齒輪高速旋轉嚙合受徑向交變力作用主減速器齒面出現約45°放射性條紋。放射狀條紋加大了齒輪嚙合摩擦振動頻率，在齒輪嚙合5倍頻(35階)和6倍頻(42階)之間產生諧波邊頻，導致加速工況主減速器異響。而齒面未修正磨平的原因可能是磨齒機的控制液壓閥漏油，導致砂輪磨齒工作不穩定，從而產生齒輪表面不平整。

2) 檢測條件受限。日常生產對齒輪精度、配對印痕、傳動誤差均有檢測，但這些檢測排查不出齒面的修正磨平情況，導致不合格產品流出使用。

2.4 解決措施

對已經發生齒輪加工誤差引起加速異響的車輛和后續車輛的處理分別提出臨時措施和永久措施：

1) 臨時措施。對已發生異響的車輛，主動更換主減速器。

2) 永久措施。總結異常產生和流出的原因，杜絕類似問題重復發生，增加相應的檢驗手段和工藝要求。在生產過程中，管控產品質量的具體處理措施有：一是對齒磨機控制液壓油進行巡檢，及時發現泄漏情況，對發現泄漏的磨齒機封存、報廢處理；二是增加機床設備點檢、巡檢細化要求；三是增加磨齒工序、配對工序首末件高速噪聲檢測要求；四是增加主減速器總成裝配加載噪聲檢測要求。

3 結束語

結合實際的純電動客車加速異響案例，鎖定齒輪加工誤差產生和流出原因，制定相應的管控措施。該問題的解決不僅大大提升了產品的聲品質，也為其他產品同類問題的分析和解決提供了很好的借鑒作用，為解決實際問題提供了參考。