 文 | 远山竹叶 编辑 | 远山竹叶  前言随着经济社会的快速发展、消费要求的不断提升，以及汽车技术的持续进步，汽车保有量不断增加，消费者对于汽车的性能的要求也在不断提高。 而据调查研究，消费者在购买车辆时，其关注点在早期时为售价和外型，现阶段已经转移至汽车的舒适性，车辆噪声水平不仅是评价汽车舒适性的指标，也反映了汽车的设计水平与制造水平。  为此，许多科研人员也在汽车性能的优化方面，投入了大量的精力，而随着汽车电动化趋势的发展，传动系统噪声渐渐取代了发动机噪声，成为了汽车的主要噪声来源。 那么，为何汽车传动系统的噪音会突显出来呢？如何才能解决这一问题呢？  驱动桥噪声产因研究事实上，汽车传动系统的主要噪音来源那就是驱动桥，这一点从驱动桥的主要结构就能够看出。 如上图所示，驱动桥主要包括后轮毂带制动鼓总成、后制动器总成、半轴、驱动桥壳总成、主减速器总成等。 其主要功能是将传动轴动力进行降速增矩并改变方向，同时承载车身重量及实施制动。 早期在对驱动桥噪声的研究中，研究人员更多关注于驱动桥噪声的直接影响因素，然而随着研究工作的不断深入，研究的重点逐渐转移至驱动桥噪声的产生机理，与噪声传递路径，从而实现更有效的噪声控制与优化。 为此，国内外众多研究人员，在驱动桥噪声领域开展了大量的研究工作，但在驱动桥噪声来源的探究上仍存在较大争议。 目前，业内学者常从驱动桥的发声机理、故障模式俗语、故障音色、故障频率、故障工况，五个维度进行驱动桥噪声的定义与描述。 不同维度的噪声定义与描述，其实本身存在着相关性与对应性，研究人员通过某一个维度为标准分类，并建立其它维度分类与之相关性，可以更加准确描述驱动桥噪声。 经分析总结，研究人员依据驱动桥噪声发声机理，将驱动桥噪声分为齿轮啮合噪声、共振噪声、搅油噪声，并建立起其与其它维度间对应关系。 以激励源、传递路径、响应三个维度作为横坐标，以齿轮啮合噪声、共振噪声、搅油噪声三类驱动桥噪声为纵坐标，可形成噪声要素与噪声类别矩阵。 在这里，远山以流程图的形式，将各噪声要素与噪声类别分别进行关联，可系统的构建出驱动桥噪声机理，如下图所示： 通过流程图可以发现，驱动桥主从动齿轮在啮合的瞬间，由于齿轮自身精度及轮齿、壳体负载变形等因素，会导致传递误差的产生，并在啮合过程产生冲击，使主从动齿轮获得较大的加速度，由此产生了振动。 而振动就会引起周围介质的波动，产生噪声辐射以及齿轮振动，并通过轴承传递至桥壳表面，从而产生齿轮啮合噪声。 介于此，研究人员围绕传动误差激励、刚度激励、误差激励、啮合冲击激励、摩擦激励、齿面印痕等做了大量研究，致力于改善驱动桥齿轮啮合噪声性能。 但由于齿轮精度波动、负载变形、制造及安装误差等因素，从动齿轮的实际转角与其理论转角并不相等，两个转角之差被称作传递误差。 这种传递误差作为齿轮啮合性能的重要衡量指标之一，由齿轮误差激励、刚度激励、啮合冲击激励、摩擦激励等因素，激发的啮合过程振动，最终都会体现在传动误差的变化上。 因此，研究人员得出结论，传递误差越大，齿轮的振动和噪声越大，并由此以传递误差降低为目的，开展了大量的影响因素分析及优化研究。 其中，研究人员在轴偏心、齿轮加工误差、装配间隙三个因素的基础上，建立了齿轮系统的传动误差函数模型，并由此分析了齿形齿向误差、齿轮精度等因素，对齿轮传递误差的影响。 最终得出结论：随着齿轮副重合度的增大，其传递误差曲线的幅值减小，增大重合度可以降低传递误差及振动。 在这之后的研究中，诸多研究人员都选择采用齿轮啮合仿真分析、承载啮合仿真分析技术，对大重合度的轮齿距误差以及齿轮传递误差的影响进行研究。 最终对准双曲面齿轮进行了加工参数优化，而优化后齿轮的传动误差幅值显著降低，提升了动态特性。 但是当研究人员认为已经解决汽车传动系统噪音问题的时候，在实际应用当中，却依然出现了问题，那么这其中的噪声又是从何而来呢？ 共振噪声优化方法在以上的实验当中，由于研究人员并未将共振噪声因素考虑在内，于是就出现了实践当中，噪声依然没有得到缓解的问题。 作为驱动桥典型故障之一，共振噪声也被称为“啸叫”、“异响”，它与齿轮啮合噪声的区别在于，共振噪声只有在特定车速、工况才会出现，且在特定车速情况下，噪声值具有明显峰值特性，低于或高于此固定车速情况时，噪声明显降低。 于是研究人员又针对驱动桥共振噪声的分析方法，进行了大量的实验论证，这其中包括试验分析法与理论分析法。 试验分析法是通过对驱动桥进行零部件模态实验、驱动桥总成台架试验、驱动桥搭载整车性能测试等测试数据分析，从而指导驱动桥的改进。 在减速、加速等不同工况下，对驱动桥进行表面声压、表面振速、表面声强、噪声功率、测量及分析，采取设计参数优化、阻尼降噪等方法，来实现驱动桥降噪。 而与前者不同，理论分析法则利用计算机模拟与仿真软件进行数值分析，通常需要采用模态分析、谐响应分析、振动噪声辐射仿真等方法，确定共振产生的原因、壳体振动位移最大部位、壳体噪声辐射最大部位。 随着计算机软硬件技术及现代设计分析技术的发展，研究人员还考虑到驱动桥共振噪声分析的成本与效率，于是对驱动桥进行了瞬态响应分析、振动噪声仿真分析、模态分析、噪声辐射分析研究，进而优化产品结构与尺寸，取得了良好的驱动桥降噪效果。 实际上，针对驱动桥共振噪声的优化较为简单，主要有避免共振与抑制共振两个方面。 避免共振是驱动桥共振噪声的主动优化方法，其通过消除激励共振频率、改变受体固有频率避免共振现象的产生，从而解决消除噪声。 要知道，驱动桥共振激励源分为内部激励与外部激励，外部激励包括发动机、变速箱、传动轴等振动激励，内部激励包括齿轮啮合激励、轴承转动激励等，驱动桥内部结构件的激励。 无论是外部激励还是内部激励所引起的共振噪声，其共振的受体多数是驱动桥壳体，当然也有部分研究人员提出，齿轮本体也能作为受体的共振，并称之为“自鸣噪声”。 由此不难得出结论，通过改变受体的固有频率，就可以避免共振，具体方法就是改变驱动桥壳部分结构形状、增加加强板，或者通过其他方法来改变刚度与质量，最终达到固有频率改变的目的。 抑制共振与避免共振的方式原理相同，但是方式不同，是驱动桥共振噪声的被动优化方法，多适用于驱动桥技术状态已定型，设计优化、制造精度提升均已达到瓶颈的情况，具体的优化方法为动力吸振器、亥姆霍兹穿孔板、薄膜阻尼结构。 在解决了共振噪音之后，研究人员就能够重新将研究重点放回到驱动桥啮合噪声的问题上来，尽管先前早已经关注到了这方面的问题，但是针对准双曲面齿轮啮合特性的研究依然存在不足之处。 因此，在之后的时间里，研究人员致力于研究准双曲面齿轮啮合的动力特性。 驱动桥啮合噪声产因及准双曲面齿轮啮合特性分析将目光从实验室中拉回到现实，下图就是汽车驱动桥主减速器，其通过一对轴线存在偏置距离的准双曲面齿轮来降低发动机输出转速，以实现输出力矩增加、齿轮旋转方向改变。 然而，由于齿距误差、齿形误差、壳体及齿轮的弹性变形等因素，导致驱动桥准双曲面齿轮实际啮合位置发生偏离，进而致使驱动桥齿轮产生啮合振动及噪声，并传递至驱动桥壳体表面，影响整车性能。 如果从源头出发，直接探究准双曲面齿轮的加工方式，就不难发现，其实准双曲面齿轮的生产加工，就已经决定了齿面几何形状，同时也决定了其啮合性能。 进而推导出在构建不同加工方式下，准双曲面齿轮的精确空间曲面，是开展多源激励下，准双曲面齿轮啮合特性分析的基础。 在驱动桥主从动齿轮在啮合瞬间，由于齿轮自身精度、轮齿与壳体的弹性变形等因素所致，齿轮副啮合过程存在传动误差，从而使主从动齿轮产生振动，从而引发齿轮啮合噪声。 因此，齿轮啮合噪声在行业内俗称“加速噪声大”，其故障音色表现为“嗯嗯”、“呜呜”、“嗡嗡”等沉闷的声音。 研究人员通过计算机模拟发现，齿轮啮合噪声激励源包括误差激励、刚度激励、摩擦激励、啮合冲击激励，而上述激励主要由齿距误差、齿形误差、壳体与齿轮的弹性变形、轮齿误差、轮齿啮合位置、参与啮合轮齿对数变化，以及齿面摩擦力与方向变化等因素综合所致。 这样一来，研究人员需要解决的问题一下子就多了起来，由于多种激励共同作用，引起了驱动桥准双曲面齿轮副的啮合振动，振动通过内部结构件、桥壳体内部空气两条传递路径传递，体现于驱动桥壳体表面振动和驱动桥齿轮啮合噪声。 因此，研究人员决定通过几何和力学分析展开对不同加工方式下，齿轮副啮合性能研究，这样可为驱动桥的振动噪声优化，和齿轮副的重新优化选取，提供重要的理论参考。 同时也为实验的后续开展，研究动态特性分析提供数据基础，为齿轮副加工方法优化选取、传动系统动力学分析及优化奠定了基础。 低成本低噪声的设计优化基于上述的参考数据，研究人员针对准双曲面齿轮加工的参数进行了调整，改善了在实际生产中，常依靠工人经验通过机床调整手段设计的问题，进而确定加工参数。 然而，齿轮副传动误差对于汽车驱动桥振动噪声起决定作用，往往容易被忽视，而且仅依赖调整手段，也无法实现非线性传动误差的调节，导致准双曲面齿轮在传动过程中，振动噪声问题突出。 此外，通过提高齿轮制造与安装精度，可实现驱动桥准双曲面齿轮传动过程中，振动噪声的改善，但制造与安装精度与制造及检测成本息息相关，过高的精度要求必将造成制造及检测成本的迅速增加，进而不断压缩利润空间。 因此，如何构建利润、精度及产品设计间的整线研发，并寻求平衡点，成为了目前所面临的难题。 研究人员结合低成本低噪声零部件精度预设方法，及轮齿主动减振降噪设计，最终成功实现了轮齿啮合性能及制造成本的有效兼顾，为实际生产设计提供了重要指导。 但是令研究人员陷入困境的是，在多目标优化过程中，各目标之间往往是相互冲突的，不可能实现所有目标均达到最优的结果，所以需要综合考虑所有目标，找出具有良好权衡的解决方案。 假设，每个影响因素，对驱动桥齿轮啮合噪声的影响程度是均等的，理论上，从市场返回驱动桥齿轮噪声问题的故障件，体现出这些因素的概率应该等同于，每个影响因素生产过程的不合格率，称作理论出现率。 但是事实上，每个因素，对驱动桥齿轮啮合噪声的影响程度是不同的，研究人员只能通过对大量故障件影响因素检测，得出每个因素不合格率的实际出现概率，称作实际出现率。 而实际出现率高于理论出现率的因素，对驱动桥齿轮啮合噪声影响大，反之，影响度低，这种关系称作“齿轮啮合噪声与影响因素的相关度”。 为了获得更加客观的影响因素，与驱动桥齿轮啮合噪声的关联度，研究人员需要考虑到故障件齿轮的磨损程度，检测齿形误差、齿距误差等微观因素，同时选定齿厚、压力角、螺旋角这三项齿轮，将宏观精度因素和微观精度因素同时作为研究对象。 最终，通过建立优化模型，计算得出相应的主动齿轮加工参数，并对优化后的准双曲面齿轮传动质量进行实时监控，从而成功建立从设计到生产再到市场的整线研发。 结语为改善整车性能，降低驱动桥振动噪声水平，研究人员进行了较为深入系统的工作，为齿轮副加工方法优化选取、传动系统动力学分析及优化奠定了基础。 毕竟，驱动桥作为一个复杂的机械系统，又处在庞大的整车复杂系统下，对其噪声品质分析与优化研究，远不止远山在文章中所列研究内容及成果，相信在未来，一定还有更加先进的技术，为车辆的性能与舒适度提供更多技术支撑。 |
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