某车型主减速器啸叫的分析与优化
1.引言
随着我国的经济发展，人们的生活水平也越来越高，对汽车的性能追求也越来越高。过去追求的更多是耐久性，而现在追求更高的舒适性、NVH性能等等。尤其是最近几年，客户及主机厂对车辆的NVH性能要求越来越高。
动力传动系统的NVH是整车中非常重要的部分。针对前置后驱的车来说，存在的NVH有很多，如低速轰鸣声、变速箱的啸叫和齿轮敲击声、主减速器的啸叫声等等。而目前国内对主减速器的啸叫改进尤为困难。而且主减速器的啸叫通常出现在很常用的车速段，让人难以接受。解决主减速器的啸叫问题也是各整车厂及供应商可以提高竞争力的关键点。
目前国内对主减啸叫所采取的措施主要有如下：①调整轴承的预紧力，即通过轴承的启动力矩来体现，提高主被齿的支撑刚性；②控制齿轮精度；③调整齿轮印痕尺寸大小和位置；④控制装配形位公差，如被齿端面跳动、选垫尺寸等；⑤齿侧间隙；⑥调整齿轮硬度等等。这些措施各个主机厂很早都在做，确实有一定改善，但是改善量很小。
本文从主减啸叫的根本原因进行分析，针对某一车型主减速器进行分析与优化，试制样件并进行试验测试，得到了比较理想的结果。下面对其分析与优化的主要过程进行阐述。
2.主减啸叫产生的原理
主减啸叫声比较接近纯音，主要有齿轮的传递误差引起的。发生的情况随车辆参数的不同而变化，大多数车辆在特定的车速下出现啸叫峰值。下面将主减啸叫产生的原理进行详细分解。
(1) 激励源
主减啸叫的主要激励源为主被齿轮的传递误差。在主被齿轮工作啮合时，齿轮的传递误差则会产生激振力。传递误差是用来描述齿轮传动不平稳性的参数。
传递误差主要由齿轮参数决定，传递误差大小（即TE值）通常随着加载大小变化而变化。传递误差还与齿轮的错位量有一定关系。齿轮错位量主要由齿轮装配误差、齿轮支撑刚性等影响。装配误差直接影响齿轮错位量，导致齿轮不能正确啮合。由于齿轮自身的刚性、轴承的刚性、主减壳体的刚性等，齿轮的错位量会随着加载的增大而增大，从而导致齿轮的啮合情况发生变化。
因此，要减小传递误差，主要可以通过齿轮修形、保证装配的准确性和改善支撑刚性来实现。齿轮传递误差又有加速面传递误差和滑行面传递误差。然而，减小传递误差需要分别对齿轮的加速面和滑行面进行优化。
(2) 响应及传递路径
齿轮的啸叫响应主要为齿轮的传递误差产生的激振力引起传动轴的弯曲和扭转振动。响应再通过传递路径而让乘员听到，即这个传动轴的弯曲和扭转振动经过悬架和中间支撑传递到车身而产生脉冲振动，并被乘员感知。其传递路径如图1所示。通过研究，传动轴的弯曲和扭转振动与主减齿轮啸叫有一定相关性。因此，通过传动轴的优化可以有一定的减小主减啸叫噪声。
图1 主减齿轮啸叫的传递路径
3.仿真分析与实车测试
(1) 模型建立与仿真分析
本次研究通过基于Masta建模仿真分析。考虑传递路径的分析，则将传动系统与后悬架系统一并建模与仿真分析。仿真模型如下图2所示。
图2 基于Masta建模仿真分析模型图
由于在路试工况主要有最高加速档的加速工况和带档滑行工况。因此，本文研究也针对这两个工况进行仿真分析。在此以主减速器的主齿大轴承的振动加速度作为分析结果。下图3所示为某一车型的原始结构方案的仿真分析结果。
图3 某车型原结构的仿真结果
(2) 实车测试
在车内第三排座椅中间位置放置麦克风，测试出各工况下的整车内噪。如图4所示，为原结构方案的噪声测试曲线，红色线为整车内总噪声，黑色线为主减速器噪声的目标线（整车内噪声-10dB），绿色线为主减齿轮阶次噪音。有图可以看出，主减阶次噪音有多处超过目标线，这是不可接受的状态。
图4 某车型原结构的实测结果
4.优化设计与结果
通过上述可知，为降低原结构方案的主减啸叫声，本此研究主要做了以下几点优化：
①改善主减齿轮的支撑刚性
为保证主减齿轮的啮合平稳，即错位量变化小，使得齿轮的啮合印迹偏移程度降低。根据受力情况，合理布置主减速器壳体和差速器壳体的加强筋。为了提高支撑轴承的刚度，优化设计轴承参数。为了提高主齿轴刚度，适应缩短主齿轴承的跨距。
②对主减齿轮优化设计
主被齿作为激励源，则应重点优化。在优化主齿轴承的支撑刚性之后，对主减齿轮进行修形优化。减小TE值，且根据印痕随受力变化的走势及变化，合理布置初始印痕。
③优化响应及传递路径的结构
由于传动轴的扭转振动和弯曲振动为主要的响应，因此对传动轴的结构进行优化，降低扭转振动和弯曲振动的强度。主要通过轴的管径和壁厚进行优化。
优化设计之后的分析结果，如下图5所示。主齿大轴承的振动加速度幅值都有所降低。
图5 优化结构的仿真结果
实车测试结果如图6所示。红色线为整车内总噪声，蓝色线为主减速器噪声的目标线，绿色线为主减齿轮阶次噪音。主观感受加速和滑行的主减啸叫明显减小。测试的曲线也达到目标要求。
图6 优化结构的实测结果
5.结论
本次研究通过主减啸叫发生的根本原理上进行研究分析与优化，并成功的应用到实车上，验证了研究分析与优化的正确性。并有效地解决了我国汽车行业内多年以来的这一难题。
参考文献
[1]日本自动车技术会.汽车工程手册1.北京：北京理工大学出版社，2010.
[2]李润方、王建军.齿轮系统动力学.北京：科学出版社，1997.
作者：黄振之 （柳州孔辉汽车科技有限公司，广西 柳州 545007）
