汽車手動變速器齒輪嘯叫問題試驗(yàn)探究

楊連波 謝嵩松 靳文波 王光良 宋樹森

摘? 要：為了探究手動變速器齒輪嘯叫問題，開展了道路試驗(yàn)、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)以及傳動系統(tǒng)臺架試驗(yàn)，對嘯叫問題進(jìn)行多方位的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以噪聲總級與嚙合階次差值大于15dB（A）作為標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷各工況的嘯叫情況，與主觀感受基本一致;轉(zhuǎn)轂半消聲室和道路試驗(yàn)場均可以作為分析變速器嘯叫問題的測試場地;在開展嚙合斑點(diǎn)測試時，一次性完成全部擋位嚙合斑點(diǎn)測試是可行的，通過優(yōu)化臺架測試方法，可以得到與整車測試相同的嚙合斑點(diǎn)結(jié)果。本文所研究的變速器存在的嘯叫問題，主要是由于二擋擋位齒輪嚙合偏載、傳遞誤差偏大引起，經(jīng)過調(diào)整修形方案，嘯叫現(xiàn)象明顯改善。上述工作對解決同類問題具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：手動變速器;齒輪嘯叫;階次噪聲;傳遞誤差;嚙合斑點(diǎn)

中圖分類號：U463.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）02-0084-06

前言

齒輪的敲擊和嘯叫是手動變速器常見的兩類NVH問題。敲擊是輕載或空載齒輪副在輸入轉(zhuǎn)速波動激勵下，產(chǎn)生的一種輪齒間的持續(xù)撞擊現(xiàn)象，在怠速和加速工況下都可能發(fā)生，一般可以通過降低變速器敲擊靈敏度或匹配雙質(zhì)量飛輪等方式進(jìn)行控制。嘯叫是承載齒輪副在動態(tài)傳遞誤差激勵下，產(chǎn)生的一種具有階次特征的噪聲，主要發(fā)生在車輛加速和滑行過程中，通常采用優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)、齒輪微觀修形、提高加工精度及裝配精度等方式進(jìn)行控制[1，2]。車輛帶擋滑行過程中，變速器齒輪副非工作齒面接觸，容易產(chǎn)生嘯叫問題，且此時發(fā)動機(jī)停止噴油，背景噪聲變小，齒輪嘯叫噪聲容易被凸顯出來，從而引起車內(nèi)乘員的不適，此類滑行嘯叫問題越來越受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

通過文獻(xiàn)檢索可知，目前已有學(xué)者通過試驗(yàn)手段對變速器齒輪嘯叫問題進(jìn)行了研究[3-6]，但采用單一試驗(yàn)手段進(jìn)行研究的較多，綜合利用整車轉(zhuǎn)轂半消聲室、道路試驗(yàn)場和傳動系統(tǒng)臺架進(jìn)行研究的較少。本文以某乘用車為研究對象，綜合利用多種試驗(yàn)手段，針對其在二擋滑行工況下存在的嘯叫問題開展研究，為深入分析和解決此類問題奠定基礎(chǔ)。

1? ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣車搭載1.5L自然吸氣發(fā)動機(jī)、匹配雙質(zhì)量飛輪、6擋手動變速器，動力總成前部縱置和后輪驅(qū)動。依次開展整車道路測試、整車轉(zhuǎn)轂半消聲室測試以及傳動系統(tǒng)臺架測試。采用LMS Test.Lab 14A軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析。

1.1? ?整車試驗(yàn)方案

整車測試分別在中汽中心道路試驗(yàn)場和整車轉(zhuǎn)轂半消聲室進(jìn)行。噪聲信號取自駕駛員右耳，振動信號取自后懸置主、被動側(cè)，如圖1所示。開展振動噪聲測試時，通過發(fā)動機(jī)CAN總線，同步采集發(fā)動機(jī)輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速信號。測試工況為2擋全油門（WOT）加速（1000-4000rpm）及滑行（4000-1000rpm）。

同時進(jìn)行基于整車的齒輪嚙合斑點(diǎn)測試。將藍(lán)色金屬工藝油漆均勻涂抹在齒輪表面，曬干后裝箱，按要求加注潤滑油。用平板車將車輛運(yùn)送至測試場地，測試工況為2擋加速至3000rpm后滑行，反復(fù)三次，然后拆下變速器，取出齒輪，觀察嚙合痕跡。

1.2? ?臺架試驗(yàn)方案

臺架試驗(yàn)在中汽中心傳動系統(tǒng)半消聲室進(jìn)行，開展基于臺架的齒輪嚙合斑點(diǎn)測試時，傳動鏈由驅(qū)動電機(jī)、飛輪、離合器、變速器、傳動軸、驅(qū)動橋、過渡連接軸、負(fù)載電機(jī)（左、右各1個）組成，變速器通過連接工裝與驅(qū)動電機(jī)外殼相連，為避免后橋因受支反力而跳動，專門設(shè)計(jì)了工裝將后橋外殼鎖死。臺架嚙合斑點(diǎn)測試工況根據(jù)整車測試得到的發(fā)動機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速確定。變速器傳遞誤差測試時，傳動鏈由驅(qū)動電機(jī)、高精度編碼器、變速器、高精度編碼器、負(fù)載電機(jī)組成。測試2擋在不同輸入扭矩工況下的傳遞誤差。嚙合斑點(diǎn)及傳遞誤差測試傳動鏈組成如圖2所示。

2? ? 結(jié)果分析

2.1 階次分析原理

階次是事件在參考軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中發(fā)生的次數(shù)，變速器輸入軸轉(zhuǎn)一圈，輪齒嚙合的次數(shù)即為嚙合階次。由于齒輪嚙合具有階次特征，所有可以利用階次分析的方法，鎖定發(fā)生嘯叫的齒輪副。本文所研究的變速器為三軸式設(shè)計(jì)（輸入軸、中間軸和輸出軸），以變速器輸入軸轉(zhuǎn)速為參考，2擋擋位齒輪副嚙合階次和常嚙齒輪副嚙合階次見表1：

2.2? ?嘯叫評價指標(biāo)

為了探究齒輪嘯叫噪聲的客觀評價指標(biāo)，分別在道路試驗(yàn)場進(jìn)行二擋加速與滑行工況測試，車內(nèi)噪聲測試結(jié)果，如圖3所示。通過觀察色譜圖可以發(fā)現(xiàn)，加速時，可以觀察到25階次特征，但不明顯;滑行時，可以看到明顯的25階次特征。加速和滑行過程中都看不到常嚙合階次。

為了進(jìn)一步分析齒輪嚙合噪聲在車內(nèi)的貢獻(xiàn)情況，分別將加速和滑行工況下，25階次聲壓級和總聲壓級進(jìn)行比較，如圖4所示。通常使用總聲壓級與階次聲壓級的差值，作為評判嘯叫的指標(biāo)，差值大于15dB（A），通常認(rèn)為嘯叫風(fēng)險較小。加速過程中，總聲壓級與25階次聲壓級的差值基本都滿足大于15dB（A），說明加速工況基本無嘯叫問題;滑行過程中，總聲壓級與25階次聲壓級的差值在較多轉(zhuǎn)速處不滿足大于15dB（A）的要求，說明滑行工況存在嘯叫風(fēng)險。測試過程中，同步開展了主觀評價，結(jié)果表明2擋加速基本無嘯叫問題，2擋滑行車內(nèi)能夠聽到明顯的嘯叫噪聲，主觀感受與客觀測試結(jié)果一致，說明可以使用總聲壓級與階次聲壓級差值大于15dB（A）作為評價嘯叫問題的指標(biāo)。

2.3? ?測試環(huán)境分析

為了探究在不同測試環(huán)境下，變速器嘯叫的差別，針對2擋滑行工況，將道路試驗(yàn)場與轉(zhuǎn)轂半消聲室測試結(jié)果作對比，如圖5所示。轉(zhuǎn)轂測試得到的聲壓總級明顯小于道路測試，25階次聲壓級與總聲壓級差值，二者均存在較多轉(zhuǎn)速處小于15dB（A），但轉(zhuǎn)轂測試差值更小，說明嘯叫表現(xiàn)更明顯。

對比發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，見表2，二者從4000rpm滑行到1000rpm，發(fā)動機(jī)輸出扭矩及滑行時間相差較小，說明二者負(fù)載環(huán)境基本相同。由于轉(zhuǎn)轂測試沒有風(fēng)噪及路面隨機(jī)激勵的影響，背景噪聲比道路環(huán)境小，所以嘯叫問題更容易被凸顯出來。使用轉(zhuǎn)轂半消聲室作為測試環(huán)境，有利于變速器嘯叫問題的識別。

2.4? ?懸置隔振率

懸置是變速器嘯叫向車內(nèi)傳遞的重要結(jié)構(gòu)路徑，需要對其隔振性能進(jìn)行評估。對象車輛動力總成為三點(diǎn)懸置設(shè)計(jì)（左、右、后懸置），通常后懸置隔振最為薄弱，因此專門針對后懸置隔振性能進(jìn)行了測試，如圖6所示。在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，后懸置三向25階次隔振率基本滿足不低于20dB，說明懸置隔振滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5? ?齒輪嚙合斑點(diǎn)

在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室進(jìn)行齒輪嚙合斑點(diǎn)測試，先后開展了兩次測試，一次為僅測試二擋，另一次為測試變速器所有擋位，一方面為了觀察齒輪嚙合情況，另一方面為了探究一次性完成所有擋位嚙合斑點(diǎn)測試的可行性。結(jié)果如圖7（a）、（b）所示，二擋滑行工況，二擋從動齒輪反拖面嚙合斑點(diǎn)偏向右上方，說明二擋齒輪副嚙合偏載，需要向左下方調(diào)整。而一次測試所有擋位與單獨(dú)測試一個擋位嚙合斑點(diǎn)基本相同，說明其他擋位齒輪嚙合不會對二擋齒嚙合斑點(diǎn)測試結(jié)果造成影響，因此在變速器開發(fā)過程匯總開展的嚙合斑點(diǎn)測試，可以一次完成全部擋位測試，提高測試效率。

為了能夠在變速器開發(fā)前期，搭載整車前就對其嘯叫風(fēng)險進(jìn)行評估，可以充分利用臺架測試手段，對變速器的嘯叫表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測。本文對基于臺架的變速器嚙合斑點(diǎn)測試方法進(jìn)行了探究，使用發(fā)動機(jī)輸出扭矩均值作為輸入扭矩，使用負(fù)扭矩加速的形式來模擬滑行，在加速至3000rpm后，如果不迅速降低轉(zhuǎn)速，齒面涂料出現(xiàn)了異常掉落的現(xiàn)象，如圖7（c）所示，將臺架試驗(yàn)工況中加速到峰值轉(zhuǎn)速的停留時間取消后，涂料沒有異常掉落，可以得到與整車測試基本相同的嚙合斑點(diǎn)結(jié)果，如圖7（d）所示。說明持續(xù)高轉(zhuǎn)速會增加涂料的異常掉落，在臺架試驗(yàn)中需盡量減少高轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間。

2.6? ?齒輪傳遞誤差

動態(tài)傳遞誤差是齒輪嘯叫的主要激勵源，在傳動系統(tǒng)試驗(yàn)室開展變速器傳遞誤差測試，通過在變速器輸入端和輸出端安裝高精度編碼器，獲取變速器總的傳遞誤差，然后對傳遞誤差曲線做頻譜分析，根據(jù)齒輪的嚙合階次確定擋位齒輪、常嚙合齒輪及其倍頻成分的傳遞誤差數(shù)值，結(jié)果如圖8所示。二擋擋位齒輪前兩階傳遞誤差遠(yuǎn)大于常嚙合齒輪，說明擋位齒輪傳遞誤差過大是導(dǎo)致嘯叫現(xiàn)象的主要原因，與整車噪聲測試結(jié)果一致。

3? ? 優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1? ?優(yōu)化方案

針對二擋擋位齒輪的偏載問題，通過調(diào)整齒輪修形方案的形式進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整后的修形方案及實(shí)際加工得到齒輪樣件精測結(jié)果，見表3所示，精測結(jié)果為各輪齒檢測結(jié)果的均值。

3.2? ?驗(yàn)證與對比

樣件裝箱后，再次開展傳遞誤差測試，優(yōu)化前后傳遞誤差對比結(jié)果如圖9所示。優(yōu)化后傳遞誤差明顯變小，說明新的修形方案有效果。

完成臺架驗(yàn)證后，進(jìn)一步開展整車搭載驗(yàn)證測試及主觀評價，二擋滑行工況車內(nèi)噪聲測試結(jié)果如圖10所示。25階次聲壓級與總聲壓級差值在多數(shù)轉(zhuǎn)速下均滿足大于15dB（A），說明齒輪嚙合階次噪聲在總的噪聲中占比已經(jīng)較少，此時，車內(nèi)主觀感受已經(jīng)基本聽不到嘯叫噪聲。再次說明優(yōu)化方案有效，二擋滑行嘯叫問題得到了有效的治理。

4? ? 總結(jié)

（1）本文所研究的變速器在2擋滑行工況下

產(chǎn)生的嘯叫問題，主要由于擋位齒輪嚙合偏載、傳遞誤差偏大引起，通過優(yōu)化修形方案，經(jīng)實(shí)車搭載驗(yàn)證，嘯叫噪聲明顯降低。

（2）針對變速器嘯叫問題，可以使用總聲壓級與嚙合階次聲壓級的差值大于15dB（A）的標(biāo)準(zhǔn)作為評價指標(biāo)，與主觀感受基本一致。道路試驗(yàn)場及轉(zhuǎn)轂半消聲室均可以作為分析變速器嘯叫問題的測試場地。在開展齒輪嚙合斑點(diǎn)測試時，可以選擇一次性完成全部擋位的測試。

（3）臺架測試是分析和解決變速器嘯叫問題的有效手段，尤其在變速器開發(fā)前期，充分開展臺架測試，有助于盡早發(fā)現(xiàn)問題，縮短開發(fā)周期，提升開發(fā)效率。

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