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某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客齒輪嘯叫分析與優(yōu)化研究

2022-01-07 08:42:30·  來源：汽車實(shí)用技術(shù)  
　
摘要：文章針對某電驅(qū)動(dòng)車型在勻速及減速滑行工況下30 km/h的齒輪嘯叫問題，借助LMS Test.Lab測試分析系統(tǒng)進(jìn)行了嘯叫問題詳細(xì)診斷和分析。通過對齒輪參數(shù)進(jìn)行檢
摘要：文章針對某電驅(qū)動(dòng)車型在勻速及減速滑行工況下30 km/h的齒輪嘯叫問題，借助LMS Test.Lab測試分析系統(tǒng)進(jìn)行了嘯叫問題詳細(xì)診斷和分析。通過對齒輪參數(shù)進(jìn)行檢測分析，確定了該噪聲產(chǎn)生的根本原因。最終通過優(yōu)化砂輪參數(shù)，解決了嘯叫問題。該研究思路為后續(xù)類似問題的解決提供了重要的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)后橋；減速器；齒輪；NVH
引言
傳統(tǒng)汽車尾氣污染已成為大氣污染的主要來源之一。在2020年9月，中國政府提出二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和已從市場機(jī)制轉(zhuǎn)向法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)制性規(guī)制。整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)被強(qiáng)制脫碳化轉(zhuǎn)型[1]。發(fā)展新能源汽車已勢在必行，且成為各大車企實(shí)現(xiàn)減碳、脫碳主要途徑之一。
在輕型客車這一細(xì)分領(lǐng)域，各大車企積極響應(yīng)，已推出多種結(jié)構(gòu)形式電動(dòng)汽車。根據(jù)動(dòng)力傳遞方式可分為三種：傳統(tǒng)模式、電驅(qū)動(dòng)橋集中式模式、輪轂電機(jī)分散式模式。前者采取傳統(tǒng)燃油車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式，保留減速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋，將電機(jī)替換發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于改造型電動(dòng)車[2]。這種結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮電機(jī)增扭性能，且傳動(dòng)效率難以提升。后者電機(jī)直接集成在輪轂上，效率及空間利用率高，但成本也較高。而本次研究的電驅(qū)動(dòng)橋采用的是電驅(qū)動(dòng)橋集中式驅(qū)動(dòng)模式，其傳動(dòng)效率較高，且成本適中。
針對電驅(qū)動(dòng)橋齒輪噪聲，徐海軍等[3]通過在電驅(qū)動(dòng)橋中采用細(xì)高齒設(shè)計(jì)，提升了齒輪重合度，從而解決了齒輪嘯叫問題；徐勇[4]通過對齒輪進(jìn)行微觀修形，解決了加速及滑行過程中電驅(qū)動(dòng)橋齒輪嘯叫問題；徐忠四[5]、陳揚(yáng)森[6]針對減速器嘯叫問題分別采用雙目標(biāo)優(yōu)化及聲源降噪等方式解決。
以上四種優(yōu)化方式主要針對傳統(tǒng)常規(guī)齒輪嚙合階次嘯叫問題，沒有涉及齒輪鬼頻（即非齒輪嚙合基頻及倍頻）嘯叫問題。本文針對某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客勻速及滑行減速時(shí)30碼的減速器鬼頻嘯叫問題進(jìn)行診斷分析，通過對齒輪參數(shù)檢測確認(rèn)根本原因，最終優(yōu)化砂輪參數(shù)解決了該噪聲問題。
1 電驅(qū)動(dòng)后橋結(jié)構(gòu)及問題概述
1.1結(jié)構(gòu)及參數(shù)
電驅(qū)動(dòng)后橋布置在整車后排地板下方位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸通過花鍵與減速器的輸入軸連接，經(jīng)過兩級齒輪減速后，通過后橋驅(qū)動(dòng)整車后輪傳遞動(dòng)力。該減速器為偏置式平行軸結(jié)構(gòu)，輸入軸與電機(jī)輸出軸同軸，二軸、差速器軸與電機(jī)輸出軸平行。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.2問題描述
在勻速及滑行減速時(shí)車速25kph～35kph（電機(jī)轉(zhuǎn)速2 200rpm～2600rpm）車內(nèi)存在明顯中低頻嘯叫，主觀不可接受。經(jīng)測試確認(rèn)，為10階噪聲。如圖2所示。

2 問題診斷
2.1問題分析
NVH問題診斷過程中常使用“源頭-傳遞路徑-響應(yīng)”分析理論[7]。依據(jù)該理論，梳理該嘯叫的影響因子，并繪制出魚骨圖，詳見圖3。

2.2噪聲源分析
針對噪聲源問題，運(yùn)用LMSTest.lab軟件對電驅(qū)橋總成噪聲及振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。整車試驗(yàn)工況為勻速30 kph和電機(jī)轉(zhuǎn)速從4000rpm減速滑行至1500rpm，噪聲測點(diǎn)為車內(nèi)后排座椅，振動(dòng)測點(diǎn)為電機(jī)端蓋和減速器一軸軸承座殼體。其中振動(dòng)測點(diǎn)布置如圖4所示，電驅(qū)動(dòng)后橋殼體振動(dòng)曲線測試結(jié)果如圖5所示。在不同轉(zhuǎn)速下，固定階次的噪聲及振動(dòng)的頻率計(jì)算方法，如公式（1）所示

式中：f為頻率，r為轉(zhuǎn)速，n為階次。

圖5中電驅(qū)動(dòng)后橋殼體振動(dòng)曲線峰值為417Hz，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2502rpm，即該振動(dòng)特征為417×60/2502=10階，與滑行10階嘯叫為同一問題。減速器及電機(jī)殼體均存在10階振動(dòng)特征，減速器振動(dòng)幅值更大。初步判斷該噪聲源來自減速器內(nèi)部。
2.3 激勵(lì)源機(jī)理分析
2.3.1 異響特征確認(rèn)
對電驅(qū)動(dòng)橋相關(guān)旋轉(zhuǎn)件階次進(jìn)行梳理，基頻及諧頻均不存在10階，詳見表1。經(jīng)分析，10階為減速器一級齒輪30階的三分之一，初步懷疑該嘯叫與減速器一級齒輪相關(guān)。

齒距偏差（單個(gè)齒距偏差fp和相鄰齒距偏差fu）是評定齒輪運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性的重要參數(shù)[8]。通過對減速器一級主動(dòng)齒輪的齒距偏差（fp&fu）進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)每3個(gè)齒齒距偏差出現(xiàn)周期性峰值特征，即10階。齒距偏差檢測結(jié)果如圖6所示。

2.3.2 根本原因確認(rèn)
減速器一級減速主動(dòng)齒輪共計(jì)30齒，用于磨削加工的砂輪頭數(shù)為n。當(dāng)30/n為整數(shù)時(shí)，磨削加工時(shí)，每n個(gè)齒會(huì)周期性進(jìn)入固定的砂輪線程。不同線程加工出的齒輪齒距偏差幅值不同。其中3頭和4頭砂輪加工過程的線程如表2所示。當(dāng)砂輪頭數(shù)為3時(shí)，第1+3n（n=0至9整數(shù)）個(gè)齒會(huì)周期性進(jìn)入線程A，第2+3n個(gè)齒會(huì)進(jìn)入線程B，第3+3n個(gè)齒會(huì)進(jìn)入線程C。齒距偏差會(huì)產(chǎn)生30/3=10階特征。

當(dāng)砂輪頭數(shù)為4時(shí)，齒輪每轉(zhuǎn)一圈，各個(gè)齒進(jìn)入的線程與上一圈都不相同，如1#齒在齒輪旋轉(zhuǎn)第1圈進(jìn)入線程A，第2圈進(jìn)入線程C。這樣加工的齒距偏差幅值較小且無明顯階次特征。
綜上分析，用于加工齒輪的砂輪頭數(shù)對鬼頻嘯叫影響很大。砂輪頭數(shù)選用不當(dāng)（30齒齒輪選擇了3頭砂輪），會(huì)導(dǎo)致齒輪齒距偏差幅值偏大，且呈現(xiàn)10階特征，引起車內(nèi)10階鬼頻嘯叫。
2.4 傳遞路徑分析
2.4.1 空氣輻射
該噪聲問題的主要頻率為300 Hz～500 Hz，屬于中低頻段。按照前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，噪聲頻率低于1 200 Hz，結(jié)構(gòu)路徑通常為主要貢獻(xiàn)，且將電驅(qū)動(dòng)橋外殼使用消聲棉+阻尼材料整體包裹，車內(nèi)噪聲優(yōu)化不明顯?？紤]到減速器為風(fēng)冷散熱，該方案無法工程化。包裹措施如圖7所示。初步判斷空氣輻射非主要路徑。
2.4.2 結(jié)構(gòu)傳遞
電驅(qū)動(dòng)后橋主要通過板簧安裝在車身上，同時(shí)通過減震器與車身縱梁連接。其結(jié)構(gòu)傳遞路徑主要為板簧和減震器。斷開減震器，車內(nèi)噪聲無明顯優(yōu)化，因此判斷減震器非主要路徑?？紤]到板簧無法直接通過斷開方式進(jìn)行貢獻(xiàn)度驗(yàn)證，因此在左右板簧各加7.2 kg質(zhì)量，但車內(nèi)10階噪聲無明顯優(yōu)化，且板簧被動(dòng)側(cè)振動(dòng)峰值仍在。斷開減震器及板簧加質(zhì)量塊測試結(jié)果見圖8。綜合考慮方案效果，工程化可行性，優(yōu)化成本以及項(xiàng)目周期等因素，暫不對板簧進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化方案
研究噪聲常見優(yōu)化方案有三種：降低激勵(lì)源振動(dòng)、減小路徑傳遞和降低車身響應(yīng)[9]。綜合考慮工程化可行性，優(yōu)化成本以及項(xiàng)目周期等因素，可通過優(yōu)化砂輪參數(shù)以解決該噪聲問題。
3.1 砂輪參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化砂輪參數(shù)，將原始狀態(tài)3頭砂輪改為4頭砂輪，新砂輪加工后的齒輪齒距偏差fp&fu分別由原始狀態(tài)的5.5 um&8.8 um減小至2.6 um&3.2 um，且10階特征消失。優(yōu)化后齒輪檢測結(jié)果見圖9。3.2 優(yōu)化效果確認(rèn)經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證，砂輪頭數(shù)優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲10階峰值消失，主觀可接受。數(shù)據(jù)詳見圖10。
3 結(jié)論
本文針對某電驅(qū)動(dòng)后橋輕客車型勻速及滑行減速30碼附近的10階鬼頻嘯叫問題，運(yùn)用“源-路徑-響應(yīng)”分析理論進(jìn)行問題診斷分析，確定了齒距偏差異常為該鬼頻嘯叫的根本原因。通過對砂輪進(jìn)行優(yōu)化，成功解決該噪聲問題，為后續(xù)該類車型的NVH開發(fā)提供了重要的參考價(jià)值。
作者：陳清爽1,2，郭峰1,2*，鐘秤平1,2，王輪1,2，鄧欣1,2，劉森海1
作者單位：江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330001
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