某纯电动适时四驱车型前置减速器断续啸叫问题分析及优化

隋甲龙　文佳　吴松国　罗明杰　王章钊

摘 要：本文针对某纯电动适时四驱车带脱开机构的前置减速器噪声，提出了“断续啸叫”概念，结合减速器结构分析了造成断续啸叫的原因，提出了减小大齿轮端面跳动公差、调整中间轴大齿轮径向安装间隙、减小同步器结合齿与齿套侧隙及大齿轮做动平衡的改善方案。最后根据各改善方案效果，结合量产工艺水平，提出了解决断续啸叫的最终方案，实车测试证明方案有效，对解决相似啸叫问题具有重要参考价值。

关键词：适时四驱车型 减速器 断续啸叫 偏摆

1 前言

随着汽车行业的不断发展，消费者对汽车的要求不仅局限于简单的出行要求，开始追求更高的舒适性；并且随着汽车排放要求的日益严苛，电动车正在逐步取代传统燃油车。相比于传统燃油车，电动车缺少了发动机的掩蔽效应，各种噪声更容易凸显出来，严格的噪声控制成为其整车声品质提升的关键因素之一。减速器作为电动汽车的主要传动部件，其噪声对整车的NVH性能有着至关重要的影响。

啸叫声是由减速器内部齿轮在啮合传动过程中产生的一种由振动激励引起的中高频噪声，中高频声音很容易被人耳识别，消费者抱怨度比较高，必须降低或者消除[1]。国内外学者对减速器啸叫问题已经进行了大量研究，朱建、郑涛等人详细介绍了纯电动汽车常见噪声振动问题现象描述及优化方法[2]；王金龙、王梅仙等人提出了基于能量回收反拖扭矩的纯电动车减速器啸叫问题的优化方法[3]；许绍工提出了某纯电动乘用车减速器的质量分析与提升方法[4]；汪跃中、谭雨点等人提出了基于传递路径优化純电动车驾驶室内啸叫问题的方法[5]。

本文以某纯电动适时四驱车型前置带脱开机构的减速器为研究对象，针对减速器在转速为1000rpm-3000rpm过程产生的断续啸叫问题，分析了其产生的原因和相关影响因素，并针对其产生机理提出了优化流程与具体方法，以改善啸叫问题。在减速器产品开发过程中，为啸叫问题的正向开发控制提供一种思路。

2 问题描述

本文研究的某纯电动适时四驱车型前置带脱开机构的两级减速器，相比于常见的二级三轴减速器，其在中间轴大齿轮上多了一个脱开机构，具体结构如图1所示。在整车NVH性能主观评价时，整车在低速行驶时出现明显“啾啾”声，此噪声与齿轮啸叫特征相似但断续发生，因此用“断续啸叫”表示；汽车时速15-50km/h时车内前排能听到断续啸叫声，20-30km/h时断续啸叫声最明显。客观评价数据如图2所示，断续啸叫噪声特征明显。单独减速器表现与整车一致，转速段为1000-3000rpm时断续啸叫表现突出。

3 问题分析

问题减速器一级齿轮速比为2.7，二级齿轮速比为4.06。在半消试验室内测试时发现该断续啸叫声在不同转速段及不同扭矩均有表现，输入轴转速2000rpm载荷5Nm工况下，出现“啾啾”的断续啸叫声。经滤波回放及FFT分析确认断续啸叫来源为输入轴齿轮啮合频率与0.37阶边频调制，分析结果如图3所示。经分析，0.37阶边频与中间轴旋转阶次重合。且如图4所示的2000rpm工况测试数据经小波分析结果表明断续啸叫事件发生频率与中间轴转频一致。按照以上客观分析数据可以判断减速器断续啸叫与中间轴组件旋转摆动强相关。

啸叫的源头是带载齿轮，通过目前的工艺水平无法制造出完美的理想齿轮，实际的齿轮啮合和理想之间的误差就是传递误差（TE）。传递误差导致运动状态的变化，而运动状态变化的源头是载荷力，这种力通过轴、轴承传递到壳体，最后通过壳体辐射产生噪声。依据实测数据，减速器断续啸叫产生的主要原因为中间轴旋转组件上的大齿轮偏摆，导致中间轴大齿轮啮合不良，增大了齿轮传递误差。同时此减速器中间轴与大齿轮通过滚针轴承连接，存在一定间隙，怀疑此间隙过大造成齿轮偏摆，质心不对中，进而产生断续啸叫。为验证此判断，将减速器中间轴大齿轮与中间轴进行刚性连接进行测试，主观评价断续啸叫消失，客观分析如图5的小波分析所示，未见断续啸叫特征，减速器断续啸叫问题主因判断准确。

4 优化方案

4.1 可行优化方案及验证

为保证脱开机构工作正常，减速器中间轴大齿轮与中间轴间无法刚性连接，在此情况下针对中间轴组件旋转偏摆问题，考虑从以下四个方面进行改进以减小偏摆：

4.1.1 减小大齿轮端面跳动公差

合理的齿轮跳动公差可以有效提高齿轮的传动精度和齿轮传动的平稳性，从而提高传动系统的NVH性能。具体优化方案如表1所示，通过齿轮控制齿轮加工过程中的加工精度将大齿轮端面跳动公差从0.17mm降低到0.02mm。验证结果如图6和和图7所示，与如图6所示大齿轮端面跳动0.17mm小波分析结果相比，图7所示的大齿轮端面跳动0.02mm小波分析结果中显示的声音特征更微弱，振动幅值结果从-14.62dB降低到-17.55dB但仍存在。减小大齿轮端面跳动公差可使减速器断续啸叫问题得到部分改善；

4.1.2 调整中间轴大齿轮径向安装间隙

中间轴与大齿轮间通过滚针轴承连接，滚针轴承是以高精度、低摩擦状态支持旋转轴的机械零件。为避免因装配导致其外圈、内圈变形，同时长时间获得稳定性能，避免旋转运动对轴承机构产生不良影响，且为了便于组装，轴承与齿轮间的配合选择“间隙配合”。合理的配合间隙对连接系统的振动、噪声和轴承寿命都有很大影响。

根据刘明辉、耿涛等人研究的外圈与轴承座间隙对滚道故障轴承振动性能的影响分析[5]，随着轴承安装间隙的增大，系统振动幅值先增大后减小。原始状态大齿轮与滚针轴承间径向安装间隙为0.03mm，结合间隙配合要求，为降低断续啸叫提出了表2所示的两个优化方案：

各方案测试结果如图8所示，相比于原状态，方案二与方案三小波分析图谱声音特征均有明显改善，总体结果表明，方案三改善最明显振动幅值降低了5.72dB，方案二次之振动幅值降低了1.88dB，测试结果与刘明辉等人研究结果相符。随中间轴大齿轮的径向安装间隙增大，减速器断续啸叫先增大后减小。

4.1.3 减小同步器结合齿与齿套侧隙

该减速器通过同步器结合齿与齿套的结合与脱开实现脱开功能，结合齿与齿套侧隙对中间大齿轮和中间轴间的连接起到至关重要的影响。原始状态结合齿与齿套侧隙为0.70mm，在目前的工艺水平下还有可降低的空间。为验证减小同步器结合齿与齿套侧隙是否有效，按照控制变量法制定表3所示优化方案进行对比：

各方案小波分析结果如图9所示，可以看出优化方案断续啸叫问题均有所改善，总体比较：方案四优于方案五优于方案六优于原状态。结合齿与齿套侧隙越小，小波分析结果图谱中900Hz时声音特征越微弱，断续啸叫问题改善效果越明显。

4.1.4 对中间轴大齿轮做动平衡

不平衡量会引起齿轮的横向振动，并使齿轮受到不必要的动载荷，不利于齿轮正常啮合传动。对中间轴大齿轮做动平衡使其达到允许的平衡精度等级，可以有效控制其质心，使之位于其回转轴线上，减小其偏摆，使机械振动度降到允许的范围内。齿轮许用不平衡量计算公式为：

mper=M×G××103（g）

由软件计算得大齿轮许用动态不平衡量为6.84g，但做动平衡前齒轮的实际动态不平衡量为75.44g，做动平衡后降至6.79g，小于许用值。优化后分析结果如图11所示，对比图10所示的大齿轮做动平衡前的结果，振动幅值从-14.62dB降低为-29.83dB，声音特征明显减弱，中间轴大齿轮做动平衡对减速器断续啸叫问题改善明显。

4.2 最终方案及验证

发生断续啸叫减速器原状态的零部件状态及参数如下，大齿轮端面跳动公差0.17mm、大齿轮径向安装间隙0.03mm、同步器结合齿与齿套侧隙0.70mm且大齿轮未做动平衡。根据上述分析结果，减小大齿轮端面跳动公差、调整大齿轮径向安装间隙、减小同步器结合齿与齿套侧隙及大齿轮做动平衡均能有效改善减速器断续啸叫问题，优化效果如图12所示。但是，量产工艺无法保证大齿轮径向安装间隙0.01mm的要求，且精加工齿轮减小其端面跳动性价比较低。

考虑量产需求及成本管控，最终优化方案为：同步器结合齿与齿套侧隙调整为0.15mm、大齿轮动不平衡量需小于6.84g，大齿轮径向安装间隙及大齿轮端面跳动公差不调整。该优化方案经整车测试后主观评价为无断续啸叫噪声，优化前后客观数据对比如图13所示，断续啸叫完全消失。

5 结论

本文以某纯电适时四驱汽车带脱开机构的前置减速器为研究对象，针对整车工作时减速器断续发生的与啸叫特征相似的噪声，提出了“断续啸叫”概念，并结合减速器结构分析了造成断续啸叫的原因，提出了有效的解决方法，研究结果表明：

（1）通过减小大齿轮端面跳动公差，减速器壳体振动幅值降低了2.93dB；

（2）调整中间轴大齿轮径向安装间隙，减速器壳体振动幅值最高降低5.72dB；

（3）减小同步器结合齿与齿套侧隙，减速器壳体振动幅值最高降低9.63dB；

（4）中间轴大齿轮做动平衡后，减速器壳体振动幅值降低15.21dB；

最后根据验证的有效方案，兼顾量产工艺水平和生产成本，提出了减小同步器结合齿与齿套侧隙的同时大齿轮做动平衡的最终方案，整车测试断续啸叫完全消失，有效解决了此车型带脱开机构的前置减速器断续啸叫问题，对后续解决新能源汽车此类问题具有重要参考意义。

“绵阳市科技局2022年中央引导地方科技发展项目“新能源汽车电驱动系统高转速低噪音传动装置研发及成果转化”（项目编号：2022ZYDF002）。

参考文献：

[1]白学斌，金子嵛，于博瑞.电驱系统减速器啸叫噪声问题分析及优化[J].传动技术，2021，35（02）：10-15+25.

[2]朱建，郑涛，吕运川，刘超.纯电动汽车常见噪声振动问题现象描述及优化方法[J].汽车实用技术，2020（01）：214-220.

[3]王金龙，王梅仙，朱华，吴苏明，王锁.基于能量回收反拖扭矩的纯电动车减速器啸叫问题优化[J].汽车科技，2022（03）：68-71.

[4]许绍工.某纯电动乘用车减速器的质量分析与提升[D].湖南大学，2019.

[5]汪跃中，谭雨点，丁润江，朱亮.基于传递路径分析的纯电动车驾驶室内啸叫问题优化[J].汽车实用技术，2019（13）：12-14+19.

[6]刘明辉，耿涛，曲琼，闫淑萍，王风涛.外圈与轴承座间隙对滚道故障轴承振动性能的影响[J].轴承，2023（03）：74-82.