變速器嘯叫噪聲消減研究

寇仁杰， 肖林蔚， 李丹， 王文浩

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥230601)

0 引 言

變速器齒輪嘯叫是與承載齒輪嚙合頻率相關(guān)的單頻噪聲，具有階次特征，頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，極易被人耳識(shí)別，影響客戶駕乘感受。

針對(duì)變速器齒輪嘯叫噪聲的消減，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。郭棟等[1]分析了變速器嘯叫產(chǎn)生、傳播、輻射的過程，以接觸斑點(diǎn)為依據(jù)，通過優(yōu)化齒輪修形降低了嘯叫噪聲。湯海川等[2]研究了不同修形參數(shù)對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)的影響。張靖等[3]研究了軸承預(yù)緊對(duì)汽車變速器嘯叫噪聲的影響。欒文博[4]從源、路徑方面研究了嘯叫噪聲的改善方法。

本文以某SUV二擋滑行嘯叫為例，針對(duì)變速器本體，分別從齒輪微觀修形優(yōu)化、齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化、殼體剛度提升三方面研究嘯叫噪聲的消減。

1 變速器嘯叫產(chǎn)生機(jī)理

齒輪嚙合剛度的時(shí)變性、齒輪傳遞誤差、嚙入嚙出沖擊及傳動(dòng)系統(tǒng)輸入力矩和負(fù)載力矩的變化均會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)嚙合力[5]。齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力激勵(lì)齒輪本體產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)通過軸、軸承傳遞到殼體，一部分經(jīng)殼體表面輻射通過空氣路徑傳遞，一部分通過與殼體連接的懸置、換擋拉絲等結(jié)構(gòu)路徑傳遞。

2 試驗(yàn)方法

2.1 整車試驗(yàn)

整車嘯叫通常出現(xiàn)在特定工況，所以對(duì)嘯叫問題的分析優(yōu)化首先要確定嘯叫噪聲出現(xiàn)的擋位、階次、轉(zhuǎn)速區(qū)間、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，作為后續(xù)優(yōu)化驗(yàn)證的輸入，這些都需要通過整車試驗(yàn)獲取。

在駕駛員右耳處布置麥克風(fēng)，將CAN信號(hào)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、擋位、變速器油溫信號(hào)集成到數(shù)采系統(tǒng)與噪聲信號(hào)同步采集，駕駛車輛復(fù)現(xiàn)嘯叫工況，采集3組一致性較好數(shù)據(jù)。通過噪聲回放濾波鎖定嘯叫階次，從CAN信號(hào)中直接讀取對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間和轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)過測(cè)試分析，本文研究的嘯叫問題為二擋21階，滑行工況下轉(zhuǎn)速為4000～1200 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為-20 N·m。

2.2 齒輪嚙合斑點(diǎn)試驗(yàn)

齒輪嚙合斑點(diǎn)試驗(yàn)是用來檢驗(yàn)齒輪修形設(shè)計(jì)的專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是在齒輪輪齒表面噴涂印痕涂料，在規(guī)定載荷和轉(zhuǎn)速下，通過涂層在齒面法向作用力和齒面相對(duì)滑動(dòng)綜合作用下的磨損或轉(zhuǎn)移痕跡來顯示嚙合接觸區(qū)域。

變速器齒輪接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)在可加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，臺(tái)架加載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可控。對(duì)待測(cè)齒輪要求徹底去除樣件上油脂，避免油脂影響印痕涂料附著。涂料要求均勻覆蓋齒面，不可過厚堆積在齒面上，涂料涂完后靜置2 h以上干透。

本文齒輪嚙合斑點(diǎn)試驗(yàn)選用DYKEN STEEL BLUE牌耐油涂料，輸入端施加-20 N·m轉(zhuǎn)矩模擬滑行工況齒輪受載，輸入轉(zhuǎn)速為9 r/min，加載時(shí)間為20 min。

圖1 變速器齒輪嚙合斑點(diǎn)試驗(yàn)

2.3 臺(tái)架噪聲試驗(yàn)

臺(tái)架噪聲試驗(yàn)在半消聲室開展，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器，相比于整車試驗(yàn)，具有高效、受整車更換變速器拆裝一致性影響因素少等優(yōu)點(diǎn)。

本文臺(tái)架噪聲試驗(yàn)如圖2所示，按QC/T 568-2019 汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件及臺(tái)架試驗(yàn)方法中噪聲試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置規(guī)定，在變速器左、右、上方1 m處布置麥克風(fēng)，臺(tái)架模擬整車滑行工況，轉(zhuǎn)速以3π rad/s2減速度從4000 r/min降速至1200 r/min，輸入端施加-20 N·m轉(zhuǎn)矩。

圖2 變速器臺(tái)架噪聲試驗(yàn)

3 變速器嘯叫消減方法研究

3.1 優(yōu)化微觀修形

每種齒輪工作載荷變化幅度、轉(zhuǎn)速、油溫及輪齒幾何特征、綜合剛度不相同，所以不存在適用于所有齒輪的修形方法和計(jì)算公式。確定自己產(chǎn)品的修形的最有效途徑是進(jìn)行大量的試驗(yàn)。通過微觀齒廓修形，采用齒頂齒根修緣減小嚙入嚙出沖擊和時(shí)變剛度激勵(lì)，利用鼓形量來彌補(bǔ)由箱體與軸系變形引起的嚙合偏斜[6]。

首先確認(rèn)原狀態(tài)齒輪嚙合斑點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該對(duì)齒輪副在問題工況下接觸面積小，齒向偏向一端，主動(dòng)齒接觸偏向齒頂，從動(dòng)齒接觸偏向齒根。基于試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合仿真調(diào)整螺旋角和壓力角修形參數(shù)，使接觸區(qū)域居中，減小齒向和齒廓鼓形量使接觸面積接近全齒面。出于減少零部件變動(dòng)考慮，僅調(diào)整從動(dòng)齒修形參數(shù)，優(yōu)化前后修形參數(shù)見表1。根據(jù)仿真，優(yōu)化修形參數(shù)后傳遞誤差降低59%，最大接觸應(yīng)力降低32%。

通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，齒輪嚙合斑點(diǎn)接觸面積接近全齒面（見圖3），齒輪階次噪聲1500～2300 r/min無改善，其他轉(zhuǎn)速區(qū)間平均降低3～5dB（A），見圖4。

表1 從動(dòng)齒輪微觀修形優(yōu)化

圖3 微觀修形前后嚙合斑點(diǎn)對(duì)比

圖4 微觀修形前后臺(tái)架噪聲對(duì)比

3.2 優(yōu)化宏觀參數(shù)

齒輪宏觀參數(shù)有齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角、齒寬、變位系數(shù)等，通過調(diào)整這些參數(shù)提高齒輪重合度可以改善齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性，減小齒輪嚙合噪聲。本文通過減小模數(shù)、增加齒數(shù)、增大螺旋角等方法提高重合度。優(yōu)化前后參數(shù)見表2。

宏觀參數(shù)優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)微觀修形，使齒輪嚙合斑點(diǎn)接觸面積接近全齒面。對(duì)比臺(tái)架噪聲，宏觀參數(shù)優(yōu)化齒輪階次噪聲在1200～4000 r/min全轉(zhuǎn)速段平均降低5～10 dB（A），見圖5。

表2 齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化

3.3 提升殼體局部剛度

殼體在軸承動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng)，向外輻射噪聲，如果恰好激發(fā)了殼體模態(tài)，會(huì)產(chǎn)生共振問題。殼體結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性的優(yōu)化有助于降低變速器噪聲，在殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使軸承座有足夠的剛度，以減少系統(tǒng)的振動(dòng)，在大平面及薄弱部位加筋，增加剛度減少共振。

本文嘯叫問題頻段主要在400～1400 Hz，殼體模態(tài)分析結(jié)果顯示在軸承座附近分布模態(tài)，頻段在700～1000 Hz，加密殼體軸承座附近筋（見圖6），提升殼體軸承座剛度，驗(yàn)證其對(duì)嘯叫噪聲的改善。

同一臺(tái)樣機(jī)更換軸承座筋加密殼體，對(duì)比齒輪階次噪聲，結(jié)果見圖7，1500～1800 r/min附近無改善，其他轉(zhuǎn)速段平均降低5 dB（A）。

圖5 宏觀參數(shù)優(yōu)化前后臺(tái)架噪聲對(duì)比

圖6 軸承座筋加密

圖7 殼體筋加密前后臺(tái)架噪聲對(duì)比

3.4 優(yōu)化方案驗(yàn)證小結(jié)

對(duì)3種優(yōu)化方案最終分別在實(shí)車上進(jìn)行了驗(yàn)證評(píng)價(jià)，僅宏觀參數(shù)優(yōu)化方案能徹底解決該嘯叫問題，可接受；微觀修形和殼體軸承座附近加筋方案有一定改善，但仍不可接受，特別在1500～2000 r/min常用轉(zhuǎn)速段無改善。

4 結(jié) 論

針對(duì)本研究案例，試驗(yàn)表明，調(diào)整宏觀參數(shù)提高重合度對(duì)變速器嘯叫噪聲改善幅度最大，臺(tái)架試驗(yàn)1 m平均聲壓級(jí)降幅達(dá)5～10 dB（A）；微觀修形方法改善幅度最小，局部轉(zhuǎn)速段無改善，有改善轉(zhuǎn)速段1 m平均聲壓級(jí)降幅僅3～5 dB（A）；加密殼體軸承座附近筋提升剛度，對(duì)抑制嘯叫噪聲有明顯作用，特別在殼體模態(tài)分布區(qū)域頻段內(nèi)，臺(tái)架試驗(yàn)1 m平均聲壓級(jí)降幅達(dá)5 dB（A）。

本文排除傳遞路徑、車輛一致性等因素對(duì)變速器嘯叫優(yōu)化方案在車上評(píng)估產(chǎn)生的干擾，對(duì)變速器本體各種優(yōu)化方案進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，給出相對(duì)量化的對(duì)比結(jié)果，對(duì)變速器嘯叫優(yōu)化方案的制定有一定參考價(jià)值。

對(duì)于嘯叫比較突出的問題，僅從變速器角度考慮，如果齒輪嚙合斑點(diǎn)沒有特別嚴(yán)重的偏載，通過微觀修形優(yōu)化效果有限，臺(tái)架上改善小于5 dB（A）車上很難體現(xiàn)出來，建議優(yōu)化宏觀參數(shù)。對(duì)于殼體共振為主要貢獻(xiàn)的個(gè)別轉(zhuǎn)速段嘯叫問題，可考慮優(yōu)化殼體。