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车辆驱动桥NVH开发工作流程及性能指标体系
Citation: Xu, Y., Lai, C., Jie, G., and Xu , G. “Proposed Workflow and Performance Targets System for NVH Development of Vehicle Drive Axle,” SAE Technical Paper 2018-01-0992, 2018, doi:10.4271/2018-01-0992.
摘要：
在全轮驱动或后轮驱动车辆的传动系统中，驱动桥是主要的传动部件。从噪声和振动的角度来看，驱动桥不仅是发动机激励的传递路径，而且由于其内齿轮组的啮合运动而成为激励源。驱动桥作为一种精密装配，其设计参数和制造工艺对车辆的NVH性能有很大的影响。本文提出了一种车辆驱动桥NVH开发的工作流和级联目标系统。为了有效地从根本上控制与驱动桥有关的NVH性能，本文首先研究了零部件的各种运动学和结构特性，得出了关键的设计参数。为了获得这些参数的可接受范围，在分析总结前人研究成果的基础上，进行了大量的CAE仿真工作，包括有限元分析、多体仿真和专业齿轮设计软件仿真。在装配了具有优化参数的原型轴后，在试验台和车辆上进行了实际的NVH试验，以验证设计的正确性。为了满足批量生产的需要，基于NVH性能与检测参数的相关性分析，提出了一种在线检测程序。最后，总结了生产流程和检验标准，为车轴工程师在生产开发的早期阶段提供参考。
引言：
驱动桥作为汽车的主要传动部件，不仅关系到汽车的动力性能和燃油消耗。其性能，尤其是NVH性能，直接影响汽车的舒适性水平。许多学者[1，2，3，4，5，6，7，8，9]研究了轴的NVH特性及其影响因素。大多数车轴制造商在产品质量控制方面都有专业知识和实践经验，但很少有人有从根本上研究和控制车轴NVH的能力。考虑到消费者对汽车舒适性的要求不断提高，车轴制造企业必须对车轴的振动和噪声给予足够的重视。
- 驱动桥的NVH特性
1.1.振动和噪音的根本原因
1.1.1. 齿轮在齿轮组啮合过程中，通常由啮合齿轮的时变刚度、齿隙、齿面摩擦力或制造公差引起。驱动桥内部有主动小齿轮、齿圈和行星齿轮等多个齿轮，冲击齿轮啮合噪声是驱动桥噪声的主要来源。考虑到结构噪声是由结构振动引起的，因此控制齿轮噪声的根本途径就是控制齿轮的结构振动。齿轮系统的振动机理可以归纳为以下几种情况：即齿轮齿廓误差或表面磨损导致啮合冲击。二.齿轮在啮合力作用下的弹性变形导致沿啮合线法向力的波动。齿面摩擦导致自激振动。齿轮的偏心质量导致离心力。v.外部激励，如输入扭矩波动和随机道路激励。在制造和装配过程中，啮合方式、表面粗糙度、热变形和装配质量等因素都会影响齿轮的振动和噪声。
1.1.2.驱动桥内的轴承轴承起支撑作用，其工作状态对驱动桥总成的NVH性能影响很大。TRB的径向间隙是一个关键的NVH参数，它影响着辊环之间的相互作用。车辆行驶时，车轴轴承不仅能抵抗齿轮啮合冲击，还能抵抗发动机、变速器和道路的激励。在这些动力的共同作用下，轴承产生振动和噪声。
1.1.3.壳体除具有支撑和保护内轴部件的功能外，还吸收了啮合冲击能量，减弱了振动和噪声。齿轮和轴承产生的振动迫使壳体表面振动并发出噪音。同时，壳体与内腔的相互作用产生耦合振动。
1.1.4.半轴在车辆运行时，由于工作载荷的作用，转动半轴不仅发生弯曲振动，还发生扭转振动。半轴通过轴承和法兰与车轴相连，因此半轴的振动必然会影响车轴的NVH性能。
图1 轴振动的主要传递路径
1.2.振动和噪声传递路径
如图1所示，轴振动和噪声的传递主要有四种途径：a.齿轮啮合振动传播到壳体，然后辐射到空气中。b.由道路扰动引起的房屋振动向空气中辐射。c.由旋转半轴激发的壳体振动向空气中辐射。d.轴承振动传播到壳体，然后辐射到空气中。一旦齿轮啮合频率接近壳体或其他轴部件的固有频率，就会发生共振，产生更高级别的振动。除了这些主要的传递路径外，齿轮、轴和轴承产生的噪声还可以通过轴壳的孔或间隙传播到空气中。
2.NVH目标设置
汽车是一个复杂的机械系统，在行驶过程中有多种振动和噪声源。考虑到各独立源产生的振动和噪声相互作用，车辆是一个不稳定的多敏感系统，因此整车的NVH性能不仅是各子系统性能的总和。目标设定和级联策略已被证明在车辆NVH的性能开发中是有效的。在目标级联中，根据整车目标确定各系统的NVH性能目标。然后将系统级目标分解为其组件组件的目标。最后，确定零部件的NVH目标。在不考虑支撑、减震和制动功能的情况下，本工作只研究了与其传动功能相关的轴NVH性能，因此驱动轴被划分为传动系统的一个部件总成，如图2所示。红色虚线框内的内容列出了本文的研究对象。
图2 车辆NVH性能开发框架
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Axle Axle Axle Booming Whine Clonk Rating |
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每个档位下WOT |
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每个档位下POT |
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每个档位下滑降 |
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空挡滑行 |
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正常滑行 |
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正常启动 |
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正常制动 |
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正常倒车 |
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上坡 |
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下坡 |
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表1 基准轴主观评价项目
本研究主要从数字设计、台架试验和车上试验三个阶段对驱动桥NVH性能进行验证。针对每一阶段，都设置了相应的目标系统来评估车轴是否满足NVH要求。根据产品设计规范，目标设定标准可从基准、经验积累或开发需求（如成本和开发周期）中得出。在确定具体目标之前，一个关键的工作是建立基准轴并评估其NVH性能。在大多数情况下，基准轴应该是装配在基准车辆上的轴。本研究基准轴主观评价项目如表1所示。主观评价采用一般评分标准，最高评分为10分，6分，NVH表现合格。主观基准评估应由经验丰富的评估人员对车辆进行，这些评估人员能够根据车轴的NVH性能为其分配正确的等级。为了保证评估结果的准确性，在评估前应向评估人员提供必要的听力校准。如果条件允许，可以扩大主观评价，包括多个样本和多个评价者，以获得统计评级。
目标应分别对车轴总成及其部件进行基准测试。装配试验主要包括座舱噪声、轴振动、近场噪声、轴扭转振动、轴模态和轴传递误差。而部件测试主要包括壳体方式、齿轮TE、啮合方式、齿隙、轴方式。对标结果是确定车轴NVH性能指标的重要依据。
在实际开发项目中，应为每种产品建立一个NVH目标系统。以下是一些关键目标的介绍：
2.1.轴组件NVH目标设置
2.1.1.噪声各运行工况下主观评价等级应大于6级，无明显的呜呜声、隆隆声或咯咯声。在所有速度范围内，客观测量的机舱噪声级不应超过目标曲线，啮合阶数应至少比总体水平低10分贝。对于测量的近场轴噪声，结果颜色图中不应有明显的阶次特征。
2.1.2.振动测得的车上轴振动不应有明显的阶次特征，传动轴和半轴测得的扭振结果曲线无明显的峰值。
2.1.3.模态频率根据车辆模态图，车上车轴的模态频率应在设计范围内。此外，轴刚度模态频率应避开框架模态、传动系统弯曲模态和扭转模态的频率。
2.1.4.车轴总成的TE（传输误差）是产品设计前应确定的关键目标，一般限值为58mrad。
2.1.5.总成传动间隙总成传动间隙是指车辆静止时，小齿轮轴能转动的最大角度。在小齿轮法兰上测量的装配间隙上限应为独立悬架的5°和非独立悬架的4.5°。
2.1.6.内部清洁度轴内的异物，如小碎片，会碰伤齿轮或轴承，产生噪音。车轴内异物的极限重量应为800mg。
2.2.车轴部件的NVH目标设置
2.2.1.齿轮齿轮的主要控制目标是负载和空载条件下的TES、啮合接触区、齿隙和跳动。对于准双曲面齿轮的TE，图3显示了其影响因素。在正常工作条件下，准双曲面齿轮的前、后TES必须小于38mrad。对于舌形齿轮的啮合方式，一般规则是其宽度应为高度的2.5倍左右。接触斑点的宽度应为齿长的50~70%，高度应为齿深的55~75%，以获得最佳的重叠比。为了获得良好的润滑以避免齿轮啮合的直接摩擦，在设计和装配过程中应保持一定的齿隙范围，但齿隙过大会造成啮合冲击。准双曲面齿轮齿隙的一般范围为0.1至0.2 mm。小齿轮法兰中的跳动值不应超过0.127 mm，并且节线跳动量应达到环形车轮的直径。
图3 TE的影响因素
2.2.2.轴承轴承的预紧力应在0.6至0.9 N.m之间。预紧力越小，小齿轮就会产生轴向和垂直间隙，从而产生噪音。预紧力越大，轴承磨损越快。此外，轴承的径向间隙应在产品标准规定的范围内。
2.2.3.轴轴弯曲振动和扭转振动的低阶模态频率均应远离发动机激励频率的正常范围。
2.2.4.外壳外壳的固有频率应远高于道路激励频率，以避免共振。壳体的装配精度，特别是轴承孔的同轴度，直接影响准双曲面齿轮的精确定位和啮合。同轴度通常要求小于0.04 mm。除了模态要求外，差速器壳的动平衡也是影响车轴NVH性能的重要因素。考虑到局部振型引起的振动，后桥盖厚度不宜过小。
2.2.5.润滑车轴齿轮油的润滑性能应通过适用性试验进行验证。
3.NVH开发工作流程
在驱动桥的发展过程中，除了NVH外，还有其他一些性能要求。有时，为满足NVH要求而采用的技术方案会与成本、重量或周期等其他要求相冲突。在这种情况下，项目团队应该保持每个需求之间的平衡，并通过对产品的综合评估做出选择。NVH开发的工作流需要嵌套在轴组件开发中，并共享相同的关键项目里程碑。图4显示了IS研究中提出的NVH工作流。可行性分析中，在对车辆客户的技术要求进行评价后，提出不成熟的技术方案和零部件清单，并在此阶段确定基准轴。在目标设定和级联中，主要工作包括NVH绩效目标的对标和完成。在产品设计阶段，应在结构设计、材料选择、工艺设计等工作中，与DFMEA一起进行NVH一致性验证，一旦完成初步的数字模型，将使用CAE仿真来检查设计是否满足NVH目标。否则，应优化或重新设计原始产品，直到实现所有目标。在样机轴系试验阶段，设计了一系列的台架试验，以检验NVH的性能。车轴的最终性能验证应在车辆上进行。只有满足所有车上目标，并且车轴不会给其他系统带来新的NVH问题，开发工作才会初步完成。下一步工作是跟踪和评估性能衰减和里程。产品投产后，在出厂前应检查各产品的NVH性能均匀性。在项目总结中，主要工作是总结重要的技术方案，并将其记录在DFEMA或PFMEA数据库中。
3.1.NVH目标设定和级联
前几章介绍了NVH性能指标体系及相应的设定原则。需要强调的一点是，目标可以在设计冻结之前修改，但修改必须在项目委员会中获得批准。修改的原因通常包括：①项目的总体目标已经修改。②经综合评价，技术方案被否决。③NVH性能必须与其他性能相妥协。一旦NVH目标系统的最终版本设置完毕，就不能再单独修改了，下面的工作重点是产品设计以满足目标。
图4 驱动桥NVH开发流程
3.2.产品设计
产品设计是开发项目的关键阶段，它包括技术设计、结构设计和工艺设计。设计原则可以概括为：在不违反成本、工期等限制的前提下，使产品满足各项性能指标的要求。NVH指标直接影响产品设计中技术方案的确定。例如，如果高端车辆需要高NVH性能，将采用研磨工艺来提高齿轮精度。同时，DFEMA在产品设计中的应用将有效地降低NVH问题的风险。
3.3.CAE分析
CAE分析已被证明是在数字模型阶段检验产品是否满足设计目标的有效技术。在NVH开发过程中，经常采用以下CAE分析方法：DUM检查、MBS、静态有限元分析、动态有限元分析、TCA和LTCA。随着计算机技术的发展，大部分NVH性能指标可以通过CAE方法进行验证。近年来，出现了多个用于动力总成系统仿真分析的集成仿真平台，如Romax、Masta和Kissoft。这些平台的应用使轴的NVH CAE分析越来越成熟。
3.4.台架和车上试验
OEM对特定车辆总成或零部件规定的DVP通常以台架试验结果作为性能指标，因此台架试验能力对车辆零部件供应商来说非常重要。车轴NVH台架试验包括模态试验、TE试验、齿轮接触斑点试验、振动和噪声试验等，所有试验应按相应的规范进行，以获得试验结果的广泛认可。
车上试验是检查车轴NVH性能最直接的方法。考虑到车辆结构复杂，运行工况多种多样，应在各种工况下进行车上试验。lt;
资料编号：[4910]
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