基于齒輪參數(shù)優(yōu)化的變速器嘯叫噪聲控制

盧 林， 王 東

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學院， 湖北 黃岡 438002； 2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司， 天津 300300)

0 引 言

變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的核心部件，依靠擋位變化，可實現(xiàn)變速、變扭、中斷動力、倒退行駛等功能。傳統(tǒng)動力乘用車主要搭載手動變速器(MT)和自動變速器，其中自動變速器又分為電控機械自動變速器(AMT)、液力自動變速器(AT)、無級自動變速器(CVT)、雙離合自動變速器(DCT)以及機械式數(shù)學超環(huán)面無級變速器(IVT)。目前自主品牌乘用車主要匹配MT、AT和DCT。變速器直接承受來自發(fā)動機的激勵，可能產(chǎn)生嘯叫、敲擊、沖擊等多種NVH問題[1]。在售后反饋中，與變速器振動噪聲相關(guān)的投訴一直占有較大比例。因此，在新車型開發(fā)過程中，對變速器NVH性能進行控制是必不可少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)研究變速器NVH問題產(chǎn)生機理和控制方法，對提升汽車駕乘舒適性有重要意義。

從檢索到的文獻看，已有眾多專家、學者對變速器嘯叫問題開展研究工作，但主要集中于對變速器本體或傳遞路徑進行研究[2-6]，從整車角度對變速器嘯叫問題的測評方法、產(chǎn)生機理及解決思路進行系統(tǒng)研究的較少。本文針對某款縱置手動變速器存在的嘯叫問題，通過主、客觀相結(jié)合的評價方法，明確了問題工況，然后在分析其產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，利用仿真手段提出了可工程化的解決方案。

1 問題測試及分析

本文研究的是一款前置后驅(qū)MPV車型，搭載1.6 L直列4缸汽油機、6速手動變速器。首先，采用主觀評價與客觀測試相結(jié)合的方式，基于整車道路試驗對嘯叫擋位及階次進行確認。然后，對變速器單體開展臺架測試，進一步分析嘯叫產(chǎn)生原因。

1.1 主觀評價

由三名從事NVH工作五年以上的工程師，在試驗跑道內(nèi)對樣車各擋位嘯叫表現(xiàn)進行主觀評價，評分標準見表1，各擋位加速及滑行工況嘯叫評分結(jié)果見表2。

表1 嘯叫噪聲評分標準

表2 各擋位主觀評價結(jié)果

主觀評價結(jié)果表明，該車型在低擋位存在一定的嘯叫問題，結(jié)合實際駕駛過程中擋位使用情況，最終選定2擋滑行作為本次優(yōu)化分析的重點工況。

1.2 整車測試

變速器嘯叫問題，可以直接使用齒輪嚙合階次噪聲的聲壓級值作為評價指標，也可以使用齒輪嚙合階次噪聲與總級或背景噪聲的差值作為評價指標。本文選擇階次與總級的差值作為評價指標。階次與總級差值評價方法的理論基礎(chǔ)是聲壓級疊加原則，疊加結(jié)果見表3。當兩個聲壓級相差15 dB時，二者疊加后僅在較大聲壓級基礎(chǔ)上增加0.1 dB，即較小的聲壓級對總聲壓級貢獻微乎其微，因此，通常將階次與總級相差不小于15 dB作為評判有無嘯叫問題的客觀標準。

表3 聲壓級疊加附加值(單位：dB)

在車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳位置布置麥克風，采集2擋滑行過程中車內(nèi)噪聲及發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，測試結(jié)果如圖1所示，將2擋擋位齒輪嚙合階次聲壓級加上15 dB后，與噪聲總級進行比較，可以觀察到，在整個滑行過程中，存在多處嚙合階次與總級差值小于15 dB，說明存在嘯叫問題，與主觀評價結(jié)果一致。

圖1 整車測試

1.3 臺架測試

為了進一步分析2擋滑行工況變速器嘯叫問題產(chǎn)生的原因，依次在傳動系統(tǒng)NVH臺架上開展嚙合斑點和傳遞誤差(Transmission Error，TE)測試。嚙合斑點主要是用來分析齒輪嚙合狀態(tài)，嚙合狀態(tài)良好的齒輪副，嚙合斑點會居于齒面中部，且?guī)缀跽紳M整個齒面。開展嚙合斑點測試前，需要在待測齒輪表面涂抹耐高溫、不溶于潤滑油的涂料。本次測試時，首先使用煤油清理齒輪表面，烘干后，均勻涂抹金屬加工劃線油漆，置于通風處干燥后裝箱，按照正常油量加注潤滑油，根據(jù)整車測試時從CAN總線讀取的發(fā)動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速信息，設(shè)置測試工況，2擋從動齒輪反拖齒面嚙合斑點測試結(jié)果如圖2(a)所示。傳遞誤差是引起齒輪嘯叫問題的根本原因，其定義是從動齒輪實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值。測試過程中，在變速器輸入端和輸出端分別串入高精度編碼器，測試變速器總的傳遞誤差，再根據(jù)齒輪副嚙合的階次特性，利用傅里葉變換，計算得到各對齒輪副的傳遞誤差。將轉(zhuǎn)角差乘上基圓半徑可以得到位移傳遞誤差，2擋齒輪副在各扭矩工況下的傳遞誤差峰-峰值如圖2(b)所示。

圖2 臺架測試

觀察圖2可知，嚙合斑點位于齒面右側(cè)，存在明顯的偏載問題，滑行工況(負扭矩)傳遞誤差偏大，且明顯大于加速工況(正扭矩)。

綜合以上分析，對象變速器2擋擋位齒輪反拖齒面嚙合偏載、傳遞誤差偏大，存在明顯的嘯叫問題，需要優(yōu)化提升。

2 仿真建模及優(yōu)化

分析汽車NVH問題，通常按照“源-路徑-響應”的思路，對于變速器嘯叫問題，激勵源主要是齒輪動態(tài)嚙合力，傳遞路徑主要是軸承和軸承座，響應系統(tǒng)則是變速器殼體。控制激勵源是解決變速器嘯叫問題的根本途徑。通過宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)優(yōu)化，可以有效降低齒輪嚙合激勵。

2.1 宏觀參數(shù)優(yōu)化

重合度是衡量齒輪傳動質(zhì)量的指標之一，其值為同時參與嚙合的輪齒對數(shù)的平均值，重合度越大，說明同時參與嚙合的輪齒對數(shù)越多，齒輪嚙合剛度變化越小，給系統(tǒng)引入的參數(shù)激勵也越小，傳動過程也就越平穩(wěn)。齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角等宏觀參數(shù)對重合度有重要影響。外嚙合斜齒輪副的重合度計算方法見式(1)。對象變速器各擋位重合度計算結(jié)果見表4。

表4 各擋位重合度

(1)

式中:ε為總重合度；εα為端面重合度；εβ為軸向重合度;z1、z2為齒數(shù)；α′為嚙合角；α1、α2為齒頂壓力角；b為齒寬；β為螺旋角；mn為法向模數(shù)。

對比可知，2擋總重合度小于其他擋位。通過分析齒輪設(shè)計圖發(fā)現(xiàn)，二擋主動齒齒寬小于從動齒齒寬，因此可以增加主動齒齒寬，從而提升重合度。具體修改方式為二擋主動齒齒寬增加1 mm(兩側(cè)各各增加0.5 mm)，軸向重合度由1.436變?yōu)?.501，總重合度由3.188變?yōu)?.253。

2.2 微觀參數(shù)優(yōu)化

齒輪偏載問題，可以通過優(yōu)化齒輪微觀修形方案進行解決，主要調(diào)整的微觀參數(shù)包括齒形(鼓形量Cα、傾斜量fHα)和齒向(鼓形量Cβ、傾斜量fHβ)。根據(jù)嚙合斑點測試結(jié)果，可以大致知道微觀參數(shù)調(diào)整方向，驗證過程中往往需要同時針對多種修形方案做樣件，效率較低。為了得到可量化的修形方案，本文建立了齒輪嚙合動力學仿真分析模型。模型包含齒輪、軸承、柔性殼體等部件，且模型中輸入的齒輪微觀參數(shù)通過齒面精測結(jié)果獲取，對于無法獲取的參數(shù)，采用DOE(實驗設(shè)計)的方式確定。2擋主動齒輪反拖齒面嚙合斑點測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖3(a)、3(b)所示，二者基本一致，說明所建立的仿真模型是有效的，可以用于設(shè)計齒輪修形方案。利用仿真模型對原有齒輪修形方案進行優(yōu)化，優(yōu)化后的嚙合斑點如圖3(c)所示，嚙合斑點居中分布，且占滿大部分齒面，說明優(yōu)化后的齒輪副嚙合狀態(tài)良好。實際加工制造的齒輪與設(shè)計值難免會有偏差，為了確保變速器具有較為一致的嘯叫噪聲表現(xiàn)，在設(shè)計修形方案時，需要考慮制造偏差，經(jīng)過容差分析后的修形方案見表5。

圖3 嚙合斑點對比

CαfHαCβfHβ主動齒3±30±6.53±35±7.5從動齒4±40±9.54±4-5±13

3 降噪效果驗證

根據(jù)宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)優(yōu)化方案，制作3套樣件，通過齒面精測，選擇與優(yōu)化方案鍥合度最高的樣件裝箱進行效果驗證。首先在傳動系統(tǒng)NVH臺架上開展傳遞誤差測試，測試工況與優(yōu)化前保持一致，2擋擋位齒輪副傳遞誤差峰-峰值對比結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化后傳遞誤差明顯降低，全部扭矩工況下的傳遞誤差峰-峰值均小于1 um。

圖4 優(yōu)化前后傳遞誤差對比

將通過臺架驗證的變速器裝配至整車上，在試驗跑道內(nèi)對樣車2擋滑行工況嘯叫表現(xiàn)進行客觀測試及主觀評價，麥克風仍布置在駕駛員內(nèi)耳位置。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 效果驗證

將2擋擋位齒輪嚙合階次聲壓級加上15 dB后，與噪聲總級進行比較，可以觀察到，在整個滑行過程中，除個別轉(zhuǎn)速點外，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速下，嚙合階次與總級差值都大于15 dB，主觀評分從優(yōu)化前的5分升至6.5分，嘯叫噪聲明顯降低，說明優(yōu)化方案對解決齒輪嘯叫問題有效。

4 結(jié) 語

(1)嘯叫是變速器最常見的NVH問題之一，對車輛駕乘舒適性有重要影響。通過主觀評價的方式可以初步鎖定嘯叫問題工況，但由于個體對嘯叫噪聲的感受存在一定的差異性，因此采用主客觀相結(jié)合的方式，可以更完整地確認嘯叫問題擋位、階次及轉(zhuǎn)速范圍。

(2)嚙合斑點和傳遞誤差是分析齒輪嘯叫成因過程中經(jīng)常需要開展的測試。使用金屬加工劃線油漆，通過細致地對齒面進行處理，可以在加注潤滑的情況下開展斑點測試。位移傳遞誤差是微米級別的，需要高精度測試設(shè)備方能開展此項測試，否則傳遞誤差將被由測試設(shè)備精度不足帶來的誤差所淹沒。

(3)宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)同步優(yōu)化是解決齒輪嘯叫問題的有效途徑。優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)可以改變齒輪副重合度，進而提升齒輪嚙合平穩(wěn)性。微觀修形可以改善齒輪嚙合偏載，但齒輪加工過程中存在偏差，因此修形方案需要考慮加工精度的影響。使用動力學仿真軟件，可以進行容差分析，從而給出與加工精度匹配的修形方案。