焦传梅，姚明良

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）

0 引言

在消费者对汽车舒适度及品质的要求日益提高的背景下，汽车的噪音水平被逐步重视。后桥异响作为汽车常见的噪声源之一，也成为各后桥厂家质量管控的重要对象。一般设有在线检测和道路测试两个环节。道路测试可以比较真实、可靠的反映后桥噪音水平，在噪音改进方面具有重要指导意义。如某公司开发了一款电动后桥，其结构如图1。在道路测试中，车辆在行驶至20～30 km/h减速行驶（连续点刹）时，电机（转速900 r/min左右）出现“嗒嗒”的异响，无法满足整车的NVH指标要求。本文针对该典型问题进行了分析，并制定了解决方案。

图1 后桥动力传输示意图

1 问题分析及验证

后桥异响出现在车辆已经行驶15 000 km里程（包含坏路、高速路及一般路）以后，一般为零件疲劳失效所致。根据道路听车情况，异响位置在后桥中部，疑似金属碰撞，且在仅在上述工况产生。

1.1 减速器异响原因分析

减速器为二级减速，齿轮采用圆柱斜齿轮，动力传动路径为：Ⅰ轴在接到电机的输入扭矩后通过齿轮传递至Ⅱ轴大齿轮，Ⅱ轴通过小齿轮传递至差速器总成，差速器总成通过花键传递至左、右半轴。

Ⅱ轴上大齿轮与Ⅱ轴通过平键连接，如图2。结合减速器结构、各零件配合关系分析，导致异响的因素如图3。在此减速器设计中，差速器总成是借用公司成熟产品且质量稳定；差速器半轴齿轮与半轴花键配合公差沿用成熟产品的设计；电机输出轴与Ⅰ轴花键配合在电机匹配时已经通过验证。综上，如果桥壳、减壳相关装配尺寸合格，可以确定异响发生在齿轮系中，即一级、二级齿轮传动中。

图2 Ⅱ轴与Ⅱ轴大齿轮的配合

图3 减速器异响分析

1.2 减速器拆解分析

对故障件进行拆解分析，分析对象及过程如图4。

图4 拆解分析过程

经测量桥壳、减壳、半轴相关尺寸满足设计要求，目测各级齿轮均无失效。按照图4流程，在对Ⅱ轴上的大齿轮齿面跳动测量（方法如图5：固定齿轮轴，用手摇动齿轮）时，人耳可以听到明显的金属撞击声，仪表跳动值显示为1.5～1.8 mm（理论上应小于0.23 mm），说明平键位置配合间隙很大。将Ⅱ轴大齿轮从Ⅱ轴上拆下来后发现，连接两个零件的平键中部有明显沟痕和磨痕（如图6），压痕位置与Ⅱ轴及大齿轮配合面在平键工作面上的位置基本一致，平键在沟痕处宽度实测7.491 mm，明显小于设计（宽8 mm）要求。

图5 Ⅱ轴大齿轮齿面跳动图

图6 失效平键

经分析判断，沟痕应该是平键在本身强度不足，同时又受到不断的冲击载荷作用下产生的。因此，Ⅱ轴与大齿轮配合（键与键槽、轴与轴孔）很关键。通常情况下，齿轮与齿轮轴的连接方式通常选用花键连接、过盈压装后激光焊接或两者合二为一（一体化锻造加工），易于保证齿侧间隙。由于本产品特殊的结构，无法采用以上三种方式，最终选用了平键连接。设计时，平键按按照GB/T 1095（普通型 平键）选为键 8×7×32（材料为 35# 钢，硬度为 HRC30～35），平键与键槽配合方式按照GB/T 1096（平键键槽的剖面）确定为过渡配合。为便于Ⅱ轴与Ⅱ轴大齿轮装配，轮轴孔配合设计为间隙配合。在所有配合均为间隙的情况下，轴与齿轮间隙最大，也为平键受撞击提供了条件。

对平键强度进行校核：按照《机械设计》[1]公式，强度条件为σp≤[σp]（σp：键连接工作表面的挤压应力，[σp]：许用挤压应力）。分别计算平键在电机额定、峰值扭矩工况下：σp为 206 MPa、503 MPa，查《机械设计》[1][σp]取 130 MPa，σp＞ [σp]，强度不满足要求。

根据以上分析，可以判定后桥减速器异响的原因。由于间隙的存在，在车辆减速时，尤其是连续点刹时，平键工作面就受到不断的撞击。在车辆行驶一定里程后（文中后桥异响发生在车辆行驶15 000 km时），平键工作面受到冲击变形严重，造成Ⅱ轴及Ⅱ轴大齿轮与平键配合面之间的间隙加大，也就出现了“嗒嗒”的齿面碰撞的声音。因此，消除齿轮配合间隙，提高平键强度是消除该后桥减速器异响的关键。

1.3 试验验证

为尽快验证上述结论，制定验证方案如下：保持Ⅱ轴与Ⅱ轴大齿轮间隙配合不变，将平键与键槽配合改为过盈，验证异响是否改善。具体实施：特制平键（8.08×7×32）匹配宽度为8 mm键槽，并提高硬度为HRC38～42，重新装回原异响减速器。减速器装配过程中，用图5、7所示方法再次测量Ⅱ轴大齿轮齿面跳动、Ⅱ轴小齿轮与差速器被齿轮齿侧间隙，分别为0.04～0.05 mm，0.24～0.25 mm，满足产品设计要求。将减速器装回原车辆路试验证，异响消失。

因更改的平键材料及硬度，对其疲劳强度进行验证。验证方法如图8：固定后桥左、右半轴输出端，对减速器Ⅰ轴花键施加正反扭矩。试验结果为：按照电机峰值扭矩，正反转20万次，平键无损坏。根据该车型路谱，高扭（峰值扭矩）工况仅占总工况的7%，而后桥齿轮疲劳的试验评定标准是按照额定扭矩工况，均值寿命不低于50万次。判断此平键完全可以满足设计需求。

图7 齿侧间隙测量

图8 平键疲劳强度验证

2 方案制定及实施

以上验证了设计改进方向的正确性。为了使Ⅱ轴及Ⅱ轴大齿轮配合达到稳定且合理的齿侧间隙，更改平键的同时，将轴孔配合由间隙改为过盈。运用现有设备组织工艺验证，通过更改零件的结构及尺寸公差，选择合理的过盈量。

2.1 平键重新选型

将 GB/T 1096 键 8×7×32改为非标件 10.08×8×32，材料为40Cr，硬度为HRC38-42。强度校核：计算σp在电机额定、峰值扭矩分别为139 MPa、340 MPa，查《机械设计》[1][σp]取 150 MPa。在额定扭矩下，σp＜[σp]，满足强度要求。峰值工况下，强度虽不满足，但结合上述的试验验证，经过综合评定，该平键可以满足产品性能要求。

2.2 齿轮设计更改

Ⅱ轴键槽、Ⅱ轴大齿轮键宽由8 mm更改为10 mm，同时Ⅱ轴键槽深增加1 mm。两零件与平键配合均由过渡改为过盈，过盈量分别设计为0.07~0.126 mm、0.052~0.108 mm。

更改Ⅱ轴径与Ⅱ轴大齿轮孔径配合公差，由过渡改为过盈，过盈量设计为0.003~0.029 mm。

3 结语

本文以车辆行驶至20~30 km/h减速行驶时后桥出现异响为例，结合道路测试情况和电动后桥特殊的减速器结构，分析产生异响的因素。通过拆解测量分析，找出异响根源，并进行改进设计。优化后的设计成功消除异响，顺利通过了台架验证和道路耐久试验。该设计经验已经运用至同平台其他后桥产品设计中，且NVH测试效果良好，噪音水平不高于52 dB，远高于客户对于后桥噪音不大于74 dB的要求，获得客户的认可和好评。