驅(qū)動(dòng)橋是乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，起到降速、增扭、改變動(dòng)力傳遞方向的作用;由于處于傳動(dòng)系末端，承受扭矩工況惡劣、復(fù)雜，其要同時(shí)滿足疲勞耐久、NVH 表現(xiàn)等諸多要求。隨著客戶要求的日益提高以及技術(shù)進(jìn)步，乘用車噪聲品質(zhì)要求日益嚴(yán)苛，如何在兼顧疲勞耐久壽命前提下，提升驅(qū)動(dòng)橋 NVH 表現(xiàn)，是驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)的重要考量因素，也是提升整車 NVH 表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。
螺旋錐齒輪副作為驅(qū)動(dòng)橋噪聲問題的主要來源，其傳遞機(jī)理為由齒輪副嚙合偏差產(chǎn)生的傳遞誤差引起齒輪振動(dòng)，通過軸承傳遞到殼體，由結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生聲輻射，從而形成噪聲。因此，降低齒輪傳遞誤差、優(yōu)化系統(tǒng)剛度、降低峰值響應(yīng)成為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋 NVH 的主要方法。
從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度，應(yīng)用系統(tǒng)仿真軟件 MASTA、結(jié)合螺旋錐齒輪專用設(shè)計(jì)軟件 Gems/Kimos，可以從源頭上統(tǒng)籌開展激勵(lì)源、傳遞路徑、振動(dòng)響應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化，從而達(dá)成預(yù)測振動(dòng)噪聲風(fēng)險(xiǎn)的目的;在提升產(chǎn)品 NVH 品質(zhì)的同時(shí)，將 NVH 開發(fā)提前到產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定前，將極大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期及試驗(yàn)周期。
從生產(chǎn)加工角度，國內(nèi)乘用車螺傘齒輪熱后精加工除了采用磨齒工序外，通常還會(huì)增加研齒工序。一方面，通過研齒工藝改善接觸區(qū)形態(tài)，優(yōu)化傳遞誤差，一定程度提高總成噪聲表現(xiàn);另一方面，研齒工藝也會(huì)少許改變齒面形貌，通過閉環(huán)控制手段，將研齒工藝形成的實(shí)際齒貌進(jìn)行仿真分析，獲取基于實(shí)際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅(qū)動(dòng)橋 NVH 特性，從而實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)生產(chǎn)閉環(huán)控制，這對于乘用車驅(qū)動(dòng)橋 NVH 性能開發(fā)是非常有意義的。
以某乘用車驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品為例，本文通過零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真分析、生產(chǎn)工藝優(yōu)化及閉環(huán)控制等手段，實(shí)現(xiàn)總成 NVH 優(yōu)化，取得了良好效果，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本方法的有效性和可行性，極具推廣價(jià)值。
一、問題描述
本文研究的驅(qū)動(dòng)橋總成進(jìn)行臺架 NVH 試驗(yàn)過程中，在驅(qū)動(dòng)工況輸入轉(zhuǎn)速4200r/min時(shí)，出現(xiàn)齒輪嚙合階次超標(biāo)問題，超出大約6dBA。
同批次驅(qū)動(dòng)橋總成裝車后，在整車 NVH 主觀評價(jià)試驗(yàn)過程中，在驅(qū)動(dòng)工況140km/h(對應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4200r/min左右)，車內(nèi)可以感知到嘯叫噪聲;通過客觀測試識別到12階階次噪聲明顯，與總計(jì)值差值較小，階次噪聲不滿足要求。
臺架試驗(yàn)和整車測試的滑行工況，主客觀測試均沒有問題。
通過臺架試驗(yàn)、整車測試可以發(fā)現(xiàn)，NVH 問題均明確指向驅(qū)動(dòng)工況、尤其是140km/h(對應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4200r/min左右)車速段，以此為導(dǎo)向開展系統(tǒng)性問題排查及 NVH 優(yōu)化工作。
二、問題分析
驅(qū)動(dòng)橋噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析：為滿足螺旋錐齒輪加載后彎曲疲勞、接觸疲勞性能，齒輪副需要進(jìn)行齒面微觀修形設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳遞誤差;另一方面，主減速器殼體在受載后的變形會(huì)導(dǎo)致齒輪副產(chǎn)生錯(cuò)位量，也會(huì)影響傳遞誤差。
傳遞誤差是驅(qū)動(dòng)橋總成噪聲的激勵(lì)源，其引起的動(dòng)態(tài)嚙合力變化通過軸承等傳遞路徑傳遞到殼體;經(jīng)系統(tǒng)響應(yīng)后，產(chǎn)生振動(dòng)以及聲輻射噪聲。
總成系統(tǒng)模型搭建：利用 Masta軟件，建立該驅(qū)動(dòng)橋總成的仿真分析模型，其中，主減速器殼采用全有限元方式導(dǎo)入，在 Masta中運(yùn)行縮聚，獲得主減速器殼準(zhǔn)確的剛度、質(zhì)量和模態(tài)信息，從而獲得準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)仿真模型;螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由 GEMS/KIMOS等齒輪設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)入，行業(yè)內(nèi)通常采用原始的、理論的齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這樣可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，并以此為依據(jù)按需開展齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化。
上述仿真分析模型，還可以生成不同載荷階段的齒輪副錯(cuò)位量信息，用于指導(dǎo)齒輪副微觀修形設(shè)計(jì)。
齒輪設(shè)計(jì)回顧：考慮導(dǎo)入有限元?dú)んw時(shí)的齒輪副錯(cuò)位量，結(jié)合齒輪加載后變形趨勢，確定齒輪副的正驅(qū)空載接觸區(qū)：齒長方向位于中間偏小端;齒高方向位于中間。
設(shè)計(jì)空載傳動(dòng)誤差為40μrad左右。
齒輪加工：本文研究的齒輪在磨齒工序后加入了研齒工序。同批次成品齒輪副的齒貌：從動(dòng)錐齒輪齒貌相對于理論齒貌的吻合度依舊很好;主動(dòng)錐齒輪齒貌相對理論齒貌有一定差異。
在滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接觸區(qū)確認(rèn)，實(shí)際接觸區(qū)與理論接觸區(qū)有一定差異，實(shí)際接觸區(qū)更接近于倒三角形狀，而理論接觸區(qū)為菱形。
成品齒輪副實(shí)際齒貌、實(shí)際接觸區(qū)形態(tài)均與理論設(shè)計(jì)有所差異。相比于基于原始理論設(shè)計(jì)的仿真分析，通過基于實(shí)際齒貌的仿真分析，獲取基于實(shí)際齒貌的齒輪副傳遞誤差特性、驅(qū)動(dòng)橋 NVH 特性，可以更加準(zhǔn)確的分析噪聲問題點(diǎn)，針對性采取噪聲優(yōu)化手段，對產(chǎn)品開發(fā)更具有指導(dǎo)意義。
基于實(shí)際齒貌狀態(tài)的齒輪特性分析：基于實(shí)際測量的齒面誤差數(shù)據(jù)，利用 GEMS軟件，將齒輪副的實(shí)際齒貌，反調(diào)為理論齒貌，形成基于實(shí)際齒貌的設(shè)計(jì)文件;以此為基礎(chǔ)，利用 GEMS 軟件，進(jìn)行接觸分析，如圖14，仿真接觸區(qū)結(jié)果與齒輪副實(shí)際接觸區(qū)吻合很好。結(jié)合 MASTA 軟件的錯(cuò)位量信息，進(jìn)行加載接觸分析計(jì)算。
通過對比原始設(shè)計(jì)文件與基于實(shí)際齒貌的設(shè)計(jì)文件仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：實(shí)際加工的齒輪空載接觸區(qū)偏齒頂，在加載后齒輪嚙合最大應(yīng)力值出現(xiàn)在齒頂部，相對應(yīng)地，齒輪加載傳遞誤差值也遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)。
基于上述結(jié)論，本文通過研齒優(yōu)化的方式，針對性地改善齒輪副接觸區(qū)形態(tài)，從而改進(jìn)實(shí)際傳遞誤差狀態(tài)。
三、優(yōu)化方案及驗(yàn)證
研齒加工工藝優(yōu)化：研齒不僅可以改善磨齒后的齒面微觀狀態(tài)，經(jīng)過良好研齒的齒輪能夠顯著優(yōu)化接觸區(qū)形態(tài)、糾正不良接觸區(qū)，從而使齒輪副嚙合更加平穩(wěn)，起到降低、甚至消除齒輪副嘯叫噪聲的作用。
基于前期試制齒輪副實(shí)際接觸區(qū)形態(tài)及仿真結(jié)果，從多方面制定研齒工藝優(yōu)化策略：降低扭矩、增加循環(huán)次數(shù)，在減小扭矩波動(dòng)前提下，提升表面質(zhì)量;增加齒頂研齒循環(huán)，減輕從齒齒頂接觸;優(yōu)化研齒路徑，改善接觸區(qū)形態(tài)。
從齒輪滾動(dòng)檢測結(jié)果可以看出，研齒工藝優(yōu)化后，齒輪接觸區(qū)改善明顯：圓潤飽滿，位置適中。
仿真計(jì)算結(jié)果對比：齒輪進(jìn)行研齒優(yōu)化后，同樣利用 GEMS軟件，將研齒優(yōu)化后的實(shí)際齒貌反調(diào)為新的理論齒貌，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算其空載傳遞誤差，結(jié)合 MASTA 軟件的錯(cuò)位量信息，計(jì)算加載傳遞誤差。
從仿真效果看，研齒工藝優(yōu)化后的齒輪傳遞誤差降低明顯，基本達(dá)到了原設(shè)計(jì)水平，甚至在加載傳遞誤差表現(xiàn)方面略優(yōu)于原設(shè)計(jì)。
齒輪副噪聲和傳遞誤差檢測結(jié)果及對比：從檢測結(jié)果可以看出，優(yōu)化后齒輪副的噪聲和傳遞誤差均有明顯改善。
總成裝配：齒輪裝配的優(yōu)劣對總成 NVH 表現(xiàn)也有著很大的影響。在實(shí)際裝配中，一般保證齒輪側(cè)隙在要求范圍內(nèi)，齒輪接觸區(qū)形態(tài)與齒輪副加工完成進(jìn)行的滾動(dòng)檢測結(jié)果保持一致。
研齒優(yōu)化件在總成狀態(tài)下接觸區(qū)形態(tài)如圖23， 與齒輪副本身一致。
試驗(yàn)驗(yàn)證：對優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)橋總成先后進(jìn)行臺架 NVH 試驗(yàn)、整車 NVH 主、客觀評價(jià)。
從臺架 NVH 試驗(yàn)可以看出，改進(jìn)效果明顯;全轉(zhuǎn)速段階次噪聲均大幅降低，尤其是4200r/min轉(zhuǎn)速段，相比改進(jìn)前階次噪聲降低8dB以上。
整車 NVH 主觀評價(jià)，在驅(qū)動(dòng)工況全車速段沒有嘯叫噪聲;通過客觀測試識別的12階階次噪聲，與總計(jì)值差值較大，以140km/h(對應(yīng)主齒輸入轉(zhuǎn)速4200r/min左右)為例，差值接近20dB。
臺架試驗(yàn)和整車測試的滑行工況，主、客觀測試均沒有問題。
綜合來看，改進(jìn)效果顯著。
四、結(jié) 論
本文以某乘用車驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔槍ζ湓谂_架 NVH 測試不合格、整車 NVH 測試中出現(xiàn)嘯叫的問題，采用設(shè)計(jì)生產(chǎn)閉環(huán)控制的 NVH 優(yōu)化方法，針對項(xiàng)目開展實(shí)際情況，通過研齒工藝優(yōu)化方式，改善了齒輪接觸區(qū)形態(tài)，提升驅(qū)動(dòng)橋總成 NVH 性能，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)的閉環(huán)仿真能力提升與問題解決。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本方法行之有效，為驅(qū)動(dòng)橋 NVH 優(yōu)化提供了新的可行思路，最終總結(jié)如下：
(1)螺旋錐齒輪實(shí)際加工誤差在一定程度上影響驅(qū)動(dòng)橋總成 NVH 表現(xiàn)，相比商用車齒輪用途而言，乘用車用途齒輪 NVH 特性更敏感，加之乘用車對 NVH 特性要求更高，因此，對于乘用車用螺旋錐齒輪的加工誤差(比如接觸區(qū)等)控制需要更嚴(yán)格。
(2)驅(qū)動(dòng)橋 NVH 優(yōu)化，需要從多維度統(tǒng)籌考慮，產(chǎn)品設(shè)計(jì)(齒輪設(shè)計(jì)、殼體設(shè)計(jì)等)、零部件質(zhì)量(齒輪副接觸區(qū)、殼體孔位加工精度等)、總成裝配等方面;優(yōu)化措施的選擇，需要根據(jù)系統(tǒng)排查結(jié)論、結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際開展情況，確定合理、有效的解決措施;最終目的是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋總成狀態(tài)最大化達(dá)成設(shè)計(jì)意圖，從而發(fā)揮產(chǎn)品的最佳性能。
(3)仿真措施日趨完善，將 GEMS/KIMOS 等齒輪設(shè)計(jì)軟件與 MASTA 系統(tǒng)仿真軟件結(jié)合，可以進(jìn)行基于齒輪實(shí)際加工狀態(tài)的 NVH 仿真計(jì)算;經(jīng)驗(yàn)證，該仿真計(jì)算準(zhǔn)確，從而可以通過針對性的選擇優(yōu)化措施，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)閉環(huán)控制的 NVH 仿真計(jì)算優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)略.