堯舜奇，徐國祥，徐勇，江晃

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

0 引言

驅(qū)動后橋作為汽車傳動系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，對整車的噪聲貢獻占比較大。驅(qū)動后橋的振動噪聲主要由其內(nèi)的齒輪和軸承等旋轉(zhuǎn)件引起。齒輪噪聲根源主要是由主減速器主、被動齒輪在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的沖擊和振動引起。一般的驅(qū)動橋齒輪噪聲表現(xiàn)為點響、嘯叫，主要是齒輪嚙合階次及其倍頻階次為主，邊頻帶較少[1-2]。若齒輪系統(tǒng)存在軸不對中或者齒輪本身偏心，通常會導(dǎo)致軸系徑向振動加大，從而產(chǎn)生齒輪的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，即以嚙合頻率為中心、軸系轉(zhuǎn)頻為間隔的邊頻帶[3]。

本文作者通過整車客觀測試與階次分析，識別出邊頻帶問題，再通過理論計算找出邊頻階次故障源。

1 故障現(xiàn)象介紹

某MPV輕客車型驅(qū)動后橋整車駕評時存在空擋滑行“隆隆”聲，聲音集中在速度段 80～90 km/h。由于空擋滑行時，背景噪聲較低，齒輪噪聲較為明顯。為及時鎖定故障源頭，支持整改，針對故障車輛進行整車客觀測試，利用階次分析方法，同時結(jié)合主觀駕評，對故障現(xiàn)象進行分析，鎖定故障源頭。

2 階次分析原理

當一個部件處于旋狀態(tài)時，它會產(chǎn)生一定幅值的響應(yīng)(如振動、噪聲等)。這個響應(yīng)程度會隨著轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化。階次則是旋轉(zhuǎn)部件每旋轉(zhuǎn)一圈響應(yīng)發(fā)生的次數(shù)。

對于旋轉(zhuǎn)機械的振動噪聲，階次分析非常有幫助。這是因為系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)大多數(shù)情況下都與特定的階次(當然還有共振頻率產(chǎn)生的響應(yīng))相關(guān)，在特定的階次上會出現(xiàn)相應(yīng)的響應(yīng)。系統(tǒng)的每一個部件(齒輪、軸、活塞等)對系統(tǒng)的振動噪聲總量級(Overall level)都有貢獻。階次分析幫助確定每一個獨立部件對總量級有多大的貢獻。

3 故障識別

3.1 整車客觀測試

為識別故障，對整車進行噪聲、振動客觀測試。使用西門子LMS測試設(shè)備，在駕駛員左耳位置布置聲音采集器，在驅(qū)動后橋減速器殼體、后橋橋管、后橋殼蓋上布置三向振動加速度傳感器，分別如圖1—3所示。

圖1 駕駛員左耳噪聲測試

圖2 后橋減速器殼體振動測試

圖3 后橋橋管和殼蓋振動測試

提取驅(qū)動后橋階次噪聲與整車噪聲對比(圖4),發(fā)現(xiàn)2 200～2 450 r/min區(qū)間后橋階次噪聲對整車噪聲貢獻較大,與整車抱怨區(qū)間吻合。從后橋減速器殼體振動瀑布圖(圖5)可清晰看出，除后橋主階次12階外，11.72、12.28階均存在振動幅值偏高的現(xiàn)象，確定為邊頻問題，邊頻階次約為±0.28。再通過聲音瀑布圖(圖6)，同樣發(fā)現(xiàn)除后橋主階次12階外，11.72、12.28階聲音大的情況，與減速器殼體振動測試結(jié)果完全吻合。綜上分析，確定故障模式為邊頻振動。

圖4 后橋階次噪聲與整車噪聲對比

圖5 后橋減速器殼體振動瀑布圖

3.2 臺架復(fù)測

將故障后橋返回EOL驅(qū)動橋NVH臺架進行測試，提取11.75以及12.25階次(由于臺架階次的帶寬為0.125限制)動態(tài)扭矩測試曲線與非故障件對比。發(fā)現(xiàn)在11.75階，故障件比其他非故障件高8 dB以上(圖7)，在12.25階，故障件比其他非故障件高12 dB以上(圖8)，差異非常明顯。

圖7 故障件與非故障件11.75階測試曲線對比

圖8 故障件與非故障件12.25階測試曲線對比

4 邊頻階次計算

4.1 齒輪的邊頻帶

齒輪傳動結(jié)構(gòu)的邊頻帶多以齒輪嚙合頻率的諧頻為載波頻率，齒輪的轉(zhuǎn)頻或倍頻作為調(diào)制頻率。邊頻帶的出現(xiàn)是由于在一個嚙合周期內(nèi)時變的嚙合剛度的變化引起的參數(shù)化自激勵：齒輪嚙合不精確，載荷和轉(zhuǎn)速不均勻。齒輪自身偏心、幾何誤差和裝配誤差易引起載波信號的幅值變化，出現(xiàn)幅值調(diào)制現(xiàn)象。

在齒輪故障診斷中，故障信號對某一特征信號的調(diào)制作用，在其頻譜圖上產(chǎn)生邊頻帶。這些邊頻帶是以齒輪的嚙合頻率為中心，以軸的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。

4.2 邊頻帶計算

主動齒輪的邊頻階次[4]計算公式為

1998年Coonrad等[14]根據(jù)對脊柱正位全長X線片上頂椎的具體位置及數(shù)目、側(cè)彎之間的柔韌性差異分析了2000例特發(fā)性脊柱側(cè)凸，分為21類，雖然分型比King分型豐富了，提供了足夠的數(shù)據(jù)庫，但也只是從脊柱側(cè)凸的冠狀面進行了考慮，并且針對各型沒有具體的手術(shù)方法和合適融合范圍。

(1)

被動齒輪的邊頻階次計算公式為

(2)

將參數(shù)代入式(1)和式(2)中，經(jīng)計算O主齒邊頻=1，O被齒邊頻≈0.28。

得出整車邊頻帶階次與驅(qū)動橋被齒邊頻階次剛好吻合，初步判斷該故障由被齒及其軸系邊頻引起。

5 原因分析

經(jīng)拆解故障后橋發(fā)現(xiàn)，被動齒輪減速面連續(xù)多齒接觸區(qū)存在螺旋偏移問題(圖9)，即凹面各齒的嚙合印痕長短不一致，有些接近全齒面(圖10)，有些不足50%(圖11)，差異較大。與問題初步判斷結(jié)果吻合。

圖9 被齒減速面螺旋偏移

圖10 接近全齒面的嚙合印痕

圖11 不足50%的嚙合印痕

經(jīng)過對故障齒輪進行精度檢測以及對齒輪加工過程進行追溯,發(fā)現(xiàn)被動齒輪熱處理變形大是引起齒輪印痕螺旋的主要原因。

導(dǎo)致齒輪熱處理前后變形大的原因主要有兩個：

(1)齒輪毛坯原材料的端淬值偏大，心部硬度高，導(dǎo)致齒輪毛坯變形量大；

(2)壓淬工裝漲心定位外圓尺寸不合理，壓淬的內(nèi)、外壓環(huán)的壓力選擇不合理，導(dǎo)致熱處理變形，齒輪嚙合區(qū)螺旋。

針對這兩項問題點進行以下改善：

(1)選擇端淬值更低的原材料；

(2)優(yōu)化熱處理壓淬參數(shù)(工裝漲心定位外圓尺寸以及內(nèi)、外壓環(huán)的壓力等)，控制熱后被動齒輪外圓、內(nèi)圓等參數(shù)。

6 噪聲優(yōu)化

將原故障后橋主減速器使用改善后加工的主、被動齒輪重新裝配，檢測被動齒輪凹面嚙合印痕，每個齒面的嚙合印痕長度均衡(圖12)，螺旋偏移問題消失。

圖12 齒印均衡

將更換主、被動齒輪后的驅(qū)動后橋重新裝原車駕評驗證，整車故障消失。

提取驅(qū)動后橋階次噪聲與整車噪聲對比,發(fā)現(xiàn)后橋階次噪聲相比改善前整體降低了8 dB左右,且后橋階次噪聲比整車噪聲低了13 dB以上，噪聲貢獻大幅減少(圖13)。

圖13 改善后后橋階次噪聲與整車噪聲對比

從后橋減速器殼體振動瀑布圖(圖14)也可明顯發(fā)現(xiàn)11.72、12.28階的邊頻振動幅值高的問題完全消失。車內(nèi)聲音瀑布圖(圖15)上11.72、12.28階的邊頻同樣消失，與振動測試結(jié)果一致。經(jīng)過比較改善前后的域頻曲線(圖16)，發(fā)現(xiàn)原幅值最高的2 272.5 r/min，幅值由55.78 dB降低至46 dB，降低了9.78 dB，改善效果非常明顯。

圖14 改善后后橋減速器殼體振動瀑布圖

圖15 改善后車內(nèi)聲音瀑布圖

圖16 改善前后對比的頻域曲線(2 272.5 r/min)

7 結(jié)論

齒輪自身偏心、幾何誤差和裝配誤差導(dǎo)致的齒輪嚙合不精確、載荷和轉(zhuǎn)速不均勻，這些都有可能引起邊頻帶出現(xiàn)的原因。邊頻帶導(dǎo)致的振動能量疊加后將對整車噪聲貢獻極大。尤其是在空擋滑行工況時，整車背景噪聲較低，驅(qū)動后橋貢獻的噪聲很容易被人耳識別，引起乘客抱怨。

主減速器齒輪嚙合印痕如果表現(xiàn)出螺旋狀，則能夠反映齒輪自身偏心問題。對裝配主減進行齒印檢查，可避免整車出現(xiàn)由齒輪螺旋引起的后橋異響問題。