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減少四輪驅(qū)動車輛后橋嘯叫聲的試驗方法

2020-10-09 14:23:29·  來源：汽車NVH云講堂  
　
2005-01-2403Test Methodology to Reduce Axle Whine in a 4WD VehicleJennifer M. Headley and Kuang-Jen J. LiuDaimlerChrysler Corporation摘要隨著SUV汽車的
2005-01-2403
Test Methodology to Reduce Axle Whine in a 4WD Vehicle
Jennifer M. Headley and Kuang-Jen J. Liu
DaimlerChrysler Corporation
 
摘要
隨著SUV汽車的日益普及，涉及傳動系統(tǒng)特定問題的研究也越來越多。一個普遍存在的NVH問題是與車橋系統(tǒng)的裝配運動傳遞誤差（MTE）和相應(yīng)的振動/聲學(xué)傳遞路徑有關(guān)的后橋嘯叫聲。這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致乘客艙內(nèi)出現(xiàn)令人不快的噪音水平，從而導(dǎo)致客戶投訴。本文探討了診斷和解決現(xiàn)場車橋嘯叫聲問題的方法和測試方法，包括駕駛室懸置運動傳遞路徑分析、運行模態(tài)和詳細的MTE最佳（BOB）/最差（WOW）研究。本文介紹了包括汽車測功機和道路試驗條件在內(nèi)的車內(nèi)后橋嘯叫聲對表測量，以及后橋嘯叫聲修復(fù)的對策。
 
前言
多年來，汽車級NVH對消費者的重要性越來越大。技術(shù)的進步使今天的汽車比過去安靜得多，這使得人們對諸如齒輪嘯叫聲之類的噪音更加敏感。車輛車廂內(nèi)的輻射噪聲，即后橋嘯叫聲，不僅與齒輪嚙合力的動態(tài)特性有關(guān)，還與力的傳遞率以及車體的聲、觸覺靈敏度有關(guān)。這些對齒輪嘯叫的多重貢獻使得它成為一個非常復(fù)雜的問題，需要一個多路徑的方法來解決這個問題。
 
問題識別
駕駛狀況是測試的重點。這輛車是一個帶有實心梁后橋的車身框架結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動、滑行和浮載工況下觀察到噪音。最差的聲壓級發(fā)生在差速器的驅(qū)動側(cè)；因此，此負載情況將用于報告目的。對多輛車的主觀評價結(jié)果是在1-10的NVH評分量表中得到3-5分，其中10分是最好的。
 
后橋的初級嚙合階次為11級，即小齒輪軸上的齒數(shù)。圖1包含乘客左耳測量的彩色地圖，清楚地識別了第11階問題。
圖1：在乘客左耳處測得的后橋嘯叫聲
 
整車測試
最初，在乘客中聽到令人不快的后橋嘯叫聲，當(dāng)以兩種4WD模式駕駛時，將試樣的地毯移到SUV的車廂內(nèi)，并允許進入駕駛室內(nèi)部安裝位置（2WD模式為70 mph至80 mph）。初級聽診器。車輛是在有問題的駕駛條件下駕駛的，車輛是2WD模式，因此這種情況下，所有可接近的駕駛室支架都被評估為可能的“熱點”。如果某個駕駛室底座由于車身安裝位置的敏感度或隔離度不夠而傳播更多噪音，則當(dāng)與聽診器接觸時，該區(qū)域會顯示出更大的噪音。對于這種特殊的車輛，發(fā)現(xiàn)不存在熱點。這可能意味著所有的駕駛室懸置都是平等參與的，或者路徑是空氣傳遞的，而不是結(jié)構(gòu)傳遞的。
 
為了正確地解決這個問題，有必要首先確定乘客艙中聽到的齒輪嗚嘯叫聲是由結(jié)構(gòu)傳遞還是空氣中的輻射源引起的。希望在消聲室中使用測力計進行所有測試；確保獨立于天氣和道路條件的變化，如果需要加速測試傳感器，還可以進行更好的控制。然而，在進行測試之前，有必要確保測試單元中問題的正確再現(xiàn)。
 
問題復(fù)現(xiàn)
在令人不快的后橋嘯叫聲中，在道路上駕駛試樣，以確定發(fā)動機的負載條件。收集了以下測量值：
前排和后排中間乘客座椅上的雙耳頭部錄音
. 發(fā)動機歧管處的真空壓力
傳動軸和發(fā)動機轉(zhuǎn)速
這些信息是針對以下荷載情況收集的：
70-80英里/小時加速
70-80英里/小時滑行
75 MPH穩(wěn)態(tài)
80 MPH穩(wěn)態(tài)
 
接下來，在兩輪驅(qū)動測力計上測試了該車。發(fā)動機真空壓力用于確定提供給后輪的扭矩水平，并記錄每個測試條件下相應(yīng)的SPL水平，并與道路數(shù)據(jù)進行比較。此外，將車輛從單元中取出并轉(zhuǎn)動車輪，以確保傳動系的旋轉(zhuǎn)和車橋內(nèi)部構(gòu)件的重新定向不會影響問題的可重復(fù)性。
 
數(shù)據(jù)分析
對前后乘客的雙耳頭部記錄進行了比較。確定在兩個麥克風(fēng)位置都可以識別出問題。因此，為了便于報告，本文僅討論前排乘客SPL。道路測試的雙耳頭部記錄分別確定了75英里/小時和80英里/小時穩(wěn)態(tài)條件下594HZ和634HZ的明顯峰值。一般情況下，根據(jù)車速，故障頻率在550到650HZ之間。單元測試確定了相同的頻率，詳見圖2。對重復(fù)性數(shù)據(jù)的檢查表明，測試不受車輛拆卸和重新安裝的影響，圖3展示了這一原理。
 
圖2：穩(wěn)態(tài)負載條件下道路乘客與左耳和右耳乘客平均值的比較
 圖圖3：車輛拆卸和重新安裝后試驗條件的重復(fù)性
 
結(jié)構(gòu)與空氣路徑
為了確定乘客艙中的后橋嘯叫聲是否是由結(jié)構(gòu)或聲學(xué)路徑引起的，收集并處理了靠近車橋小齒輪前端的振動和外部麥克風(fēng)測量值，以獲得相關(guān)性函數(shù)。測量的相干性是由激勵源（后橋振動或聲學(xué)）引起的響應(yīng)（乘客耳朵）的表示。一致性越接近1，輸入的貢獻越大。圖4包含麥克風(fēng)和每個三向加速度計方向的相干函數(shù)。
 
圖4：空氣與結(jié)構(gòu)傳遞相干測試結(jié)果。
結(jié)果
對于所有三個空間方向，在634 Hz問題頻率（80 MPH穩(wěn)態(tài)）下，相對于乘客左耳的振動值接近1。此外，外部麥克風(fēng)的相干性接近于零。這證明了這個問題是一個結(jié)構(gòu)性問題，而不是空氣傳遞問題。
路徑分析
路徑分析是一種工具，用于幫助識別振動從震源（后橋）到接收器（人耳）的主要傳輸路徑。這些信息是非常寶貴的，如果確定了一個或幾個主要路徑，那么可以快速而輕松地解決問題；從而允許更小的測試方向。
試驗裝置
試驗在試驗間內(nèi)進行；考慮到加速計的轉(zhuǎn)動，這是理想的，因為要測量大量的點。路徑分析包括以下測量：
HHM頭在乘客和后排中間座椅上
發(fā)動機和后傳動軸轉(zhuǎn)速表
所有車身懸置的加速度
后軸小齒輪前端加速度
收集了與之前測試相同的所有負載情況的數(shù)據(jù)。然而，在主觀和客觀上，掃掠條件被確定為該特定車橋的最壞情況，并將作為本報告中的參考數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分析和結(jié)果
計算并繪制了掃掠條件下所有車身懸置的總水平加速度和11階加速度。此信息用于確定當(dāng)前隔離級別是否合適。理想情況下，對于車身框架結(jié)構(gòu)，要求第11階振動體與軌道之間的最小間隔為10 dB。小于5分貝被認為是不夠的。圖5包含使用上述標(biāo)準(zhǔn)評估的每個駕駛室懸置位置的剎車燈摘要圖表。
 
圖5：駕駛室懸置隔離剎車燈圖表
很明顯，隔離程度不足以防止齒輪嘯叫聲從車架傳遞到車身。只有駕駛室懸置件1具有適當(dāng)?shù)母綦x。所有其他懸置都沒有足夠的隔振性能，沿垂直方向的趨勢最差。
由于幾乎所有懸置位置都與噪聲問題有關(guān)，因此決定調(diào)查問題的源頭，以便識別負責(zé)將第11階振動從車橋傳遞到車架的懸架和車橋部件。運行模態(tài)分析被認為是完成這項任務(wù)的最佳工具，它提供了問題條件下的振動路徑和振型。
運行模態(tài)分析
對試驗樣品進行了詳細的后橋和懸架系統(tǒng)的運行模態(tài)分析。為路徑分析收集的數(shù)據(jù)與附加測量一起使用，以提供車身、縱梁、懸架連桿和后橋的動畫效果。
數(shù)據(jù)分析和結(jié)果
在75到80英里/小時的速度范圍內(nèi)，模態(tài)形狀在運動中是相似的；唯一的變化是振幅隨著速度的增加而增加。圖6包含模態(tài)最大變形的兩個視圖，從中可以看出主動部件分別是上控制臂支架（后橋側(cè)）、橫拉桿支架（后橋側(cè)）和橫拉桿連桿。
 
圖6：后橋最大偏轉(zhuǎn)（80 mph）下的運行模態(tài)動畫
為了更好地了解部件是否因11階小齒輪振動激發(fā)的自然共振頻率或強迫響應(yīng)而發(fā)生反應(yīng)，收集了上述每個部件的驅(qū)動點FRF。此信息非常有用，因為它將確定是否有必要為相關(guān)區(qū)域提供附加剛度。
懸掛連桿A/F
對每個參與支架/連桿的FRF分析表明，UCA軸支架的橫向靈敏度從大約500–700 Hz增加；在582、597和644 Hz的共振下，詳見圖7。在593和650 Hz的模式下，橫桿連桿還顯示了車橋嘯叫聲區(qū)域的靈敏度，特別是在垂直方向上（圖8）。未發(fā)現(xiàn)橫拉桿軸側(cè)支架存在問題。
 
圖7 上控制臂FRF曲線
 
圖8：橫拉桿連桿FRF曲線
車輛改裝
在路徑分析和運行模態(tài)測試期間收集的信息用于制定各種車輛改裝的測試計劃。
軟駕駛室懸置
為了改善乘客艙與車架的隔離，在所有安裝位置都使用了較軟的駕駛室懸置。POR駕駛室懸置件是一個硬度60度的襯套；這些被替換為硬度40度的襯套，這是最低的選擇。改變?yōu)樽畹涂赡艿膭偠鹊脑蚴菫榱舜_定增加隔離可能帶來的最大效益。如果此更改是有益的，則將執(zhí)行調(diào)教以確定所需的正確剛度。
用硬度40的駕駛室懸置對車輛進行了重新測試，并評估了11階車身與車架響應(yīng)振動之間的分離特性。圖9包含每個駕駛室懸置位置的最新剎車燈圖表。幾乎所有安裝位置的隔離都得到了改善
 
圖9:硬度40的駕駛室懸置制動燈圖表
襯套硬度
圖10展示了硬度為40的駕駛室懸置OA水平與第11個階的改進分離。然而，這些進步是不夠的，因為車橋嘯叫聲仍然可以在車輛中聽到，并被認為是不可接受的。
 
圖10：乘客耳聲壓級基線與軟駕駛室懸置。
傳動軸后減振器
供應(yīng)商提供的傳動軸減振器安裝在后橋的分動箱側(cè)。阻尼器的調(diào)諧頻率為468HZ。該頻率由供應(yīng)商在單獨的調(diào)教中開發(fā)。如圖11所示，此減振器可有效降低乘客車廂內(nèi)的后橋嘯叫聲，但仍可聽到。主觀上，驅(qū)動側(cè)的嘯叫聲略有改善，可聽見的噪音提高到更高的行駛速度。這種改善似乎被穩(wěn)態(tài)和滑行條件的惡化所抵消。
 
 圖11：多種試驗條件下的乘客耳聲壓級
駕駛室軟懸置和傳動軸減振器
40硬度計駕駛室支架和后傳動軸減振器的組合被認為是解決此問題的最佳解決方案。經(jīng)過這兩次改裝，車輛乘客完全聽不到齒輪的嗚嗚聲。第11級和OA級與基線的比較見圖11。
懸掛連桿加強
RMA結(jié)果表明，UCA支架（軸側(cè)）和橫拉桿連桿在后橋嘯叫聲頻率范圍內(nèi)具有共振頻率。由于各種限制，無法對軌跡欄進行任何修改。然而，可以增加UCA支架的剛度。將角撐板添加到這些構(gòu)件上，并收集FRF，以確保達到適當(dāng)?shù)膭偠萚圖12]。接下來，在單元中對車輛進行了重新測試，以證明此更改的有效性。發(fā)現(xiàn)他的改裝并未對乘客SPL做出任何改變。這可能是由于乘客艙對UCA負載路徑缺乏敏感性所致。
 
圖12：上控制臂支架FRF曲線原始與加強構(gòu)件比較
MTE（傳遞誤差）研究
以往的研究[1,2]已經(jīng)進行了許多研究，以了解和預(yù)測后橋嘯叫聲的來源與齒輪嚙合處產(chǎn)生的運動傳遞誤差（MTE）直接相關(guān)。嚙合時，后橋小齒輪輪齒處的動力通過車輛的車橋、傳動系和懸架系統(tǒng)傳遞到車輛結(jié)構(gòu)中。
為了更好地了解后橋嘯叫與齒輪動態(tài)力的關(guān)系，傳遞誤差研究包括了后橋零部件三個級別的傳遞誤差測量，對其進行了以下三個層次的研究：
部件級別：后橋軸齒輪組
子裝配級別：后橋中心托架部分
整個車橋總成
從以上三個層次的后橋總成的MTE測量值的相關(guān)性為我們更好地了解與車橋總成的NVH設(shè)計有關(guān)的嚙合力動力學(xué)。
BOB、WOW和中型（norm）車橋總成根據(jù)車橋裝配的MTE測量值進行識別，然后安裝到車輛上，用于車輛中車橋嘯叫聲的相關(guān)性研究。所有三個車橋總成首先在道路上進行主觀評價，然后在消聲動態(tài)室中進行客觀測量。通過MTE的研究，可以建立車橋裝配MTE與車輛中令人討厭的后橋嘯叫聲的閾值。這些信息可用于定義后橋嗚嗚聲目標(biāo)，這將驅(qū)動車橋部件和總成的設(shè)計。
MTE測量值的相關(guān)性
在這項研究中，為了比較和關(guān)聯(lián)MTE測量值，車橋供應(yīng)商從當(dāng)前生產(chǎn)的車橋總成中選擇了10個隨機齒輪組。齒輪組MTE是在供應(yīng)商的單面機上測量的。接下來，將齒輪組裝配到中心托架部分，并重新測量分裝配的車橋MTE。最后對軸管進行壓焊，完成全橋總成，并進行MTE測試。下表匯總了所有三個車橋總成級別的測量值。
表1 驅(qū)動橋MTE測量的第11階（μrads）
 
小齒輪齒數(shù)是用于MTE測量的主要嚙合諧波。計算了齒輪組與中心截面之間的關(guān)系，以及中心截面與完整裝配之間的關(guān)系，如圖13和14所示。
 
圖13：車橋齒輪組和中心部分之間的車橋MTE測量值的相關(guān)性
圖14：車橋中心截面和全裝配之間的車橋MTE測量值的相關(guān)性
 
通過回歸分析，計算出全橋總成與車橋中心托架截面MTE測量值之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.63；表明全橋總成和車橋分總成的測量值一般是相關(guān)的。然而，由于軸中心部分的軸承總成中增加了額外的車橋內(nèi)部部件，車橋齒輪組和車橋中心托架部分之間的車橋MTE測量值的相關(guān)性相對較低。
車橋總成的車內(nèi)評估
對BOB和WOW車橋總成進行車內(nèi)評估的目的是確定車橋裝配MTE相對于車輛中車橋嘯叫聲目標(biāo)的閾值。BOB、WOW和中型（標(biāo)準(zhǔn)）車橋總成是根據(jù)車橋裝配MTE測量結(jié)果確定的，然后安裝到車輛上。BOB、WOW和norm車橋總成的MTE測量值分別為26、121和70μ弧度。
所有三個車橋總成都在道路上進行了主觀評價，并且NVH主觀評分為8或更高。接下來，進行了以下客觀測量：駕駛員右耳處的聲壓級、后傳動軸上的扭轉(zhuǎn)激光振動計以及車橋小齒輪前端的三向加速度。SPL結(jié)果的比較如圖15所示。
 
圖15：驅(qū)動負載情況下SPL@DRE（整體和第11階）的比較
藍色、紅色和綠色軌跡分別是來自BOB、WOW和中型車橋總成的整體SPL及其對應(yīng)的11階曲線。粉紅色的第11級不超過目標(biāo)線是根據(jù)車內(nèi)測量確定的。與主觀評估類似，所有三個車橋總成（BOB、WOW和Medium）的車橋嘯叫聲測量值都低于后橋嘯叫聲目標(biāo)線。
圖15中的黑色軌跡（OA級別和11級）是從第四個車橋組件獲得的，這是一個早期構(gòu)建。在安裝了該總成的車輛中，可以明顯地聽到后橋嘯叫聲。早期制造的車橋裝配MTE測量值為139μ弧度，超過了WOW組件的裝配MTE。
在此車內(nèi)評估中，確定了車橋裝配MTE對車輛中令人討厭的后橋嘯叫聲的閾值。
除了車橋裝配的MTE測量外，還可以進一步研究其他車橋振動矩陣，例如車橋總成上的線性振動或傳動軸上的扭轉(zhuǎn)振動，以與車輛中的車橋嗚嗚聲相關(guān)。
結(jié)論
本文概述的測試方法為解決SUV車輛中的齒輪嗚嗚聲提供了一種清晰的方法。利用乘客耳后橋傳聲器和振動測量值之間的相干函數(shù)，將問題確定為結(jié)構(gòu)引起的問題。
 
接下來，進行了詳細的路徑分析，發(fā)現(xiàn)在駕駛室安裝層沒有主路徑。此外，車輛被確定在幾乎所有安裝位置的隔離性都很差，除了最前面的位置。當(dāng)所有位置的安裝率降低20個硬度計時，11階軸嗚聲在客觀上有所改善，但主觀上NVH等級沒有改變。因此，車廂內(nèi)的噪音不足以影響車廂的隔音效果。
 
在后傳動軸的t形箱側(cè)增加了一個減震器，與40度硬度的駕駛室懸置件一起，為這個問題提供了最好的解決方案。主觀上，該車評分為10，車內(nèi)無可聽噪音。不幸的是，40度硬度駕駛室懸置對車輛的耐久性壽命構(gòu)成了非常高的風(fēng)險。對該配置下的車輛進行了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)40度硬度懸置無法增加。
 
詳細的RMA確定了從橋殼到車架的主要懸架連桿路徑，即上控制臂和橫拉桿連桿。然后，這種振動通過駕駛室懸置傳遞到車身。試圖加強這些連接并沒有降低該系統(tǒng)乘客艙內(nèi)的噪音。
 
MTE研究表明，全裝配與中心截面相關(guān)，齒輪組與軸中心架的相關(guān)性較低。這意味著僅齒輪組MTE數(shù)量不足以確保整個車橋總成中的低源振動。建議在生產(chǎn)過程中對整個裝配進行100%在線檢查。
 
在基礎(chǔ)車輛配置中，對BOB和WOW軸的主觀評估顯示兩個樣本的性能相當(dāng)。當(dāng)先前制造的車橋安裝在同一輛試驗車輛上時，車橋的嘯叫聲是不可接受的。當(dāng)測試該組件的MTE時，發(fā)現(xiàn)其比WOW測量值高出18μ弧度。假設(shè)這種差異可歸因于車橋供應(yīng)商在初始制造日期后實施的工藝改進。
 
BOB和WOW的研究是一個有用的工具，用來確認項目團隊確定的目標(biāo)線。所有車橋，導(dǎo)致適當(dāng)?shù)闹饔^評級齒輪嘯叫聲達到這一目標(biāo)。此外，還發(fā)現(xiàn)引起汽車嘯叫聲的車橋在目標(biāo)線以上有11階振動。
 
本文提出的詳細的多路徑方法是解決齒輪嘯叫聲問題的一種非常有用的方法。在這種情況下，通過詳細的MTE研究，結(jié)合BOB和WOW軸的車輛水平評估，確定了可接受的源振動水平。此外，還開發(fā)了車輛級固定裝置，如果無法在規(guī)定的MTE范圍內(nèi)生產(chǎn)車橋，則可使用該裝置。然而，解決此問題的最佳解決方案是將源側(cè)振動保持在閾值以下，因為由于駕駛室懸置和t形箱傳動軸接口的耐久性問題，車輛水平修復(fù)成本高昂且風(fēng)險較高。
 
REFERENCES
1. Chung, C. H., Steyer, G., Abe, T., Clapper, M., Shah, C., “Noise Reduction through Transmission Error Control and Gear Dynamic Tuning,” SAE Noise and Vibration Conference, Paper Number 1999-01-1766, 1999.
2. Steyer, G. C., Lim, T. C., “System Dynamics in Quiet Gear Design,” Proceedings of the 9th International Modal Analysis Conference, pp. 999-1005, 1991.
DEFINITIONS, ACRONYMS, ABBREVIATIONS
BOB: Best-of-the-best
DRE: Driver Right Ear
FRF: Frequency Response Function
HMM:
MTE: Motion Transmission Error
OA Level: Overall Level
POR: Plan of Record
RMA: Running Modes Analysis
SUV: Sport Utility Vehicle
SPL: Sound Pressure Level
T-case: Transfer Case
WOW: Worst-of-the-worst
2WD: Two Wheel Drive
4WD: Four Wheel Drive
 
 
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