變速箱S形齒廓傳動(dòng)齒輪對(duì)整車NVH性能的影響

李新強(qiáng) 俞曉璇 陳付貴 程祥峰

摘要：為降低變速箱的振動(dòng)噪聲，提高整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（noise vibration harshness，NVH）性能，通過(guò)變速箱下線臺(tái)架（end of line，EOL）振動(dòng)測(cè)試和整車NVH測(cè)試，對(duì)比分析正常齒廓齒輪、 帶S形齒廓的齒輪對(duì)整車NVH性能的影響。EOL測(cè)試結(jié)果表明：裝配S形齒廓齒輪的變速箱的振動(dòng)加速度級(jí)明顯高于正常齒廓齒輪變速箱，尤其在48階次處增幅最大。整車NVH測(cè)試結(jié)果表明，S形齒廓齒輪在發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車內(nèi)的聲壓級(jí)分別增大12、7 dB。實(shí)際加工制造驗(yàn)證結(jié)果表明，正確設(shè)定齒輪加工珩磨輪壽命可以有效消除齒廓的S形波動(dòng)，改善變速箱及整車的NVH性能。

關(guān)鍵詞：S形齒輪齒廓；EOL測(cè)試；整車NVH測(cè)試；聲壓級(jí)；振動(dòng)噪音

中圖分類號(hào)：TK411.16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）01-0089-04

引用格式：李新強(qiáng)，俞曉璇，陳付貴，等. 變速箱S形齒廓傳動(dòng)齒輪對(duì)整車NVH性能的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（1）：89-92.

LI Xinqiang，YU Xiaoxuan，CHEN Fugui，et al.Influence of Sprofile of transmission gear on vehicle NVH［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant，2023，40（1）：89-92.

0引言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，公眾對(duì)車輛安全性、駕駛性以及駕駛艙舒適性提出較高要求，提高汽車的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（noise vibration harshness，NVH）性能可以有效提升汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。變速箱是汽車動(dòng)力總成的重要組成部分，變速箱噪聲是整車噪聲的重要來(lái)源之一，對(duì)整車NVH性能影響較大。傳動(dòng)齒輪是變速箱的核心部件，其振動(dòng)是變速箱振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源[1]，對(duì)變速箱傳動(dòng)齒輪的振動(dòng)控制是改善整車NVH性能的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)變速箱及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)NVH性能的研究主要集中于優(yōu)化變速箱結(jié)構(gòu)，關(guān)于傳動(dòng)齒輪齒廓形狀對(duì)NVH影響的研究較少[2]。本文中基于某款轎車用自動(dòng)變速箱，根據(jù)傳動(dòng)齒輪的齒廓形狀差異，以齒廓存在S形曲線的齒輪（下文簡(jiǎn)記為S形齒廓齒輪）為研究對(duì)象，分析齒廓誤差對(duì)整車NVH性能的影響。

1振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

齒輪噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪副的傳遞誤差[3-4]，傳遞誤差δTE是描述齒輪傳動(dòng)不平穩(wěn)性的參數(shù)[5]，示意圖如圖1所示。由圖1可知：當(dāng)主動(dòng)齒輪齒廓A和被動(dòng)齒輪齒廓B相嚙合時(shí)，被動(dòng)齒輪應(yīng)被主動(dòng)輪勻速帶動(dòng)，但由于嚙合的齒輪副存在制造、裝配誤差以及齒面受載變形等原因，圖1齒輪副傳遞誤差示意圖被動(dòng)齒輪的實(shí)際齒廓會(huì)在B′處，主動(dòng)齒輪齒廓A需多轉(zhuǎn)1個(gè)角度δ，沿嚙合線繼續(xù)移動(dòng)一個(gè)附加距離，這個(gè)附加距離即為δTE。

理想情況下，如果齒輪傳遞動(dòng)力時(shí)非常平穩(wěn)，則發(fā)出的聲音非常微小[6]。由于存在δTE，使齒輪副在嚙合（嚙入、嚙出）時(shí)偏離了理論嚙合線，輪齒發(fā)生沖擊，引起傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。在振動(dòng)傳遞到變速箱外部結(jié)構(gòu)的過(guò)程中產(chǎn)生共振而引發(fā)噪聲[7] 。當(dāng)齒廓誤差增大時(shí)，齒輪的δTE增大，致使嚙合齒輪副間的摩擦、變形、沖擊加劇[8]，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[9]，減小δTE可有效改善齒輪傳動(dòng)噪聲[10-11]。

2試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析

某齒輪齒廓測(cè)量曲線如圖2所示。由圖2可知：該齒輪齒廓上存在明顯的S形曲線，如圖中紅線所示。齒廓上的S形曲線主要是由齒輪制造過(guò)程的加工精度不夠、設(shè)備裝夾精度不夠、刀具壽命設(shè)定不合理等原因?qū)е隆?/p>

2.2試驗(yàn)方法

由于傳動(dòng)齒輪的振動(dòng)是變速箱噪聲的主要噪聲源和激勵(lì)源，試驗(yàn)以變速箱中不同齒廓的傳動(dòng)齒輪為基礎(chǔ)，分別搭載同一類型變速箱進(jìn)行下線臺(tái)架（end of line，EOL）振動(dòng)測(cè)試和整車NVH測(cè)試，分析不同齒廓對(duì)整車NVH性能的影響。

變速箱分別裝配正常齒輪、S形齒廓齒輪，進(jìn)行EOL振動(dòng)測(cè)試。通過(guò)安裝在臺(tái)架測(cè)試設(shè)備上的振動(dòng)傳感器采集變速箱豎直方向上的振動(dòng)加速度，振動(dòng)傳感器布置在變速箱殼體（表面）頂部靠近傳動(dòng)齒輪且剛性較好的位置，EOL振動(dòng)測(cè)試設(shè)備如圖3所示。EOL振動(dòng)測(cè)試原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力輸入到變速箱的輸入軸，通過(guò)軸上的齒輪嚙合將動(dòng)力傳遞給輸出軸，這是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞的路徑，同時(shí)也是變速箱振動(dòng)的來(lái)源，因此，通過(guò)測(cè)量變速箱殼體振動(dòng)評(píng)估變速箱內(nèi)部振動(dòng)，利用采集得到的變速箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行NVH診斷[12]。

2.2.2整車NVH測(cè)試

整車NVH測(cè)試與評(píng)價(jià)通常采用主觀評(píng)價(jià)法，由于個(gè)人主觀感受的差異使得測(cè)試結(jié)果具有較大波動(dòng)。為避免主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的波動(dòng)性，將正常齒輪、S形齒廓齒輪裝配變速箱再裝載至整車，在整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙變速箱位置及車內(nèi)駕駛座人耳右側(cè)位置布置麥克風(fēng)，進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)試，采集整車噪聲[13]。整車NVH測(cè)試設(shè)備安裝位置如圖4所示。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1EOL振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

本文中采用振動(dòng)加速度級(jí)評(píng)價(jià)振動(dòng)源和環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度。振動(dòng)加速度級(jí)

L=20lg（as/a0），

式中：as為實(shí)測(cè)加速度，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度， a0=10-5g，其中，g為自由落體加速度。

變速箱的振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裝配S形齒廓齒輪的變速箱，其振動(dòng)加速度級(jí)明顯高于裝配正常齒輪的變速箱，裝配正常齒輪、S形齒廓齒輪的變速箱的振動(dòng)加速度級(jí)在48階次處的差異最為明顯，分別為50、81 dB，相差31 dB。

2.3.2整車NVH測(cè)試

整車聲壓級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

由表1可知，裝配S形齒廓齒輪的整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙聲壓級(jí)為82 dB，比裝配正常齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)艙的聲壓級(jí)高12 dB，增幅明顯。由于整車聲學(xué)包裹改善了車內(nèi)的噪聲，相比于發(fā)動(dòng)機(jī)艙，駕駛艙的聲壓級(jí)大幅降低，裝配S形齒廓齒輪的整車駕駛艙聲壓級(jí)為37 dB，比裝有正常齒輪的整車高7 dB，NVH性能表現(xiàn)也相對(duì)較差。

S形齒廓齒輪的變速箱裝到整車后，變速箱EOL臺(tái)架振動(dòng)加速度級(jí)明顯加大、振動(dòng)能量變大，整車NVH測(cè)試表明，NVH性能變差，給客戶帶來(lái)較差的NVH體驗(yàn)。

3優(yōu)化

消除齒輪的S形齒廓是改善變速箱及整車的NVH性能的有效途徑?？梢酝ㄟ^(guò)多種措施優(yōu)化齒形，消除S形齒廓的產(chǎn)生，首要措施是提高齒輪加工精度，如調(diào)整加工工藝參數(shù)、提高設(shè)備裝夾精度、控制刀具壽命等[14-15]。經(jīng)過(guò)實(shí)際加工制造驗(yàn)證，在滿足齒輪各項(xiàng)參數(shù)要求的前提下，綜合考慮加工工藝、改進(jìn)成本、改進(jìn)效果等多方面因素，最終確定通過(guò)嚴(yán)格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的S形波動(dòng)，改善變速箱及整車的NVH性能，提高變速箱產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)變速箱EOL振動(dòng)測(cè)試和整車NVH測(cè)試，研究變速箱S形齒廓齒輪對(duì)整車NVH性能的影響。結(jié)果表明，S形齒廓齒輪使得變速箱EOL臺(tái)架振動(dòng)能量變大，在48階次的振動(dòng)加速度級(jí)增加31 dB，增幅最大；NHV測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車內(nèi)駕駛艙的聲壓級(jí)分別增加12、7 dB，變速箱及整車的NVH性能較差。綜合考慮加工工藝、改進(jìn)成本、改進(jìn)效果等多方面因素，最終確定嚴(yán)格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的S形波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張笑.考慮熱變形的齒輪修形對(duì)變速器扭振響應(yīng)及其NVH性能的影響分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]欒開(kāi)廣.基于振動(dòng)噪聲的汽車變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2015.

[3]SMITH J D.Gear noise and vibration， second edition， revised and expanded[M].New York， USA：Marcel Dekker Inc.， 2003.

[4]RAO S S， YOON K Y. Minimization of transmission error in helical gears[J].Journal of Mechanical Engineering Science， Imech E， 2001， 215（4）：447-459.

[5]AMINI N， ROSEN B G， WESTBERG H. Optimization of gear tooth surface[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture， 1998，38（6）：410-415.

[6]夏麗華.齒輪重合度對(duì)變速器傳遞誤差影響分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2017，30（6）：92-95.

[7] UMEZAWA K， SUZUKI T， SATO T. Vibration of power transmission helical gears： the effect of contact ratio on the vibration[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C， 2008， 28（238）：694-700.

[8]徐麗梅，石月奎.變速箱齒輪噪聲機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（11）：25-28.

[9]劉華朝.兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱NVH性能分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[10]賴長(zhǎng)發(fā).基于齒面拓?fù)湫扌蔚尿?qū)動(dòng)橋主減齒輪嘯叫分析與優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2020， 48（16）：15-17.

[11]莫易敏.基于傳動(dòng)誤差控制的準(zhǔn)雙曲面齒輪NVH影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2019，41（4）：455-460.

[12]金悅.變速箱下線校驗(yàn)時(shí)域組合評(píng)價(jià)方法[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（4）：48-52.

[13]李海兵.汽車NVH綜合測(cè)試評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù)，2018，36（6）：70-76.

[14]展新.某商用車帶擋滑行室內(nèi)異響問(wèn)題分析與處理[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2020，469（11）：58-61.

[15]武俊杰.基于齒輪修型的減速器嘯叫優(yōu)化[J].汽車科技，2019，273（5）：16-19.