手動變速器嘯叫問題仿真分析及優化

葛琳，李鵬，姜彥斌，張小坤

（華晨汽車工程研究院 動力總成部，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著人們對汽車乘坐舒適性的要求越來越高，變速器嘯叫問題也越來越容易引起客戶的抱怨。變速器嘯叫是一種高頻噪音，在加速和反拖工況均會出現，且較容易被人耳識別，所以對變速器嘯叫噪聲進行優化會明顯改善整車NVH性能。

本文以某六速手動機械變速器為研究對象，首先進行整車NVH噪聲測試，利用階次分析確定了嘯叫特征階次，然后借助ROMAX仿真軟件對齒形齒向修形進行仿真研究，通過優化齒輪設計參數，降低齒輪傳遞誤差，使該變速器嘯叫問題得以解決。

1 變速器嘯叫噪聲產生機理

齒輪的傳遞誤差是變速器嘯叫的主要激勵源，傳遞誤差產生的原因一方面是齒輪本身的因素，如齒輪的齒數、模數、螺旋角、壓力角、有效齒寬、鼓形量、剛度等；而另一方面是相關件如殼體、軸承、軸的變形以及軸承的間隙等因素導致的偏載，最終導致嘯叫噪音的出現。

2 變速器嘯叫NVH測試

2.1 噪聲測試點布置情況

測試基于整車狀態，在整車消聲室內進行。在駕駛員右耳位置（駕駛室內噪聲測點）及變速器殼體表面（變速器近場噪聲測點）分別布置MIC及振動傳感器進行噪音采集。

圖1 整車噪聲測試點布置

2.2 測試工況

為測試變速器的整體噪聲水平并系統分析變速器的噪聲特性，對2檔、3檔、4檔、5檔、6檔進行全轉速段加速及反拖工況測試。

2.3 噪聲源識別及階次分析

階次分析法采用的是等角域采樣，即旋轉機械每轉過一定的角度采一次樣[1]。對于非穩態噪聲信號，特別是對于汽車發動機、變速器等轉速變化的旋轉機械，采用等角度采樣的“階次分析法”能有效避免傳統的等時間間隔采樣的頻譜分析法產生的頻率混疊現象，從而能夠清晰地分辨出各旋轉部件（對應不同階次）對整體噪聲的貢獻[2]。

對階次的分析要從檔位階次及主減階次兩方面同時考慮。檔位階次即為該檔主動齒輪的齒數，主減階次為主減主動齒輪齒數與該檔速比的比值。根據該變速器各檔位齒輪齒數，計算出各檔位齒輪和主減齒輪的階次，如表1所示：

表1 檔位齒輪及主減齒輪階次

圖2 變速器噪聲測試數據

從測試結果中發現，三擋測試數據亮帶較明顯，且與該擋位階次相符，可初步判斷三擋齒輪是造成該檔位嘯叫噪聲的根本原因。圖2中，上方曲線為三擋時檔位齒輪產生的殼體表面振動加速度，下方曲線為三擋時主減齒輪產生的殼體表面振動加速度。隨著轉速的上升，噪聲主要集中在31階次，在轉速達到4000rpm左右時殼體表面振動加速度達到最大值15m/s2。

3 ROMAX模型建立及仿真分析

3.1 系統模型建立

通過ROMAX軟件，分別對軸、軸承、同步器、齒輪、花鍵進行幾何建模，根據變速器總成內部結構來確定各軸上的軸承和齒輪的相對位置及齒輪與軸、軸承與軸的安裝關系，最后確定輸入軸、輸出軸及差速器軸的相對空間位置，如圖3：

圖3 齒輪傳動系統虛擬樣機仿真分析模型

3.2 變速器仿真分析及試驗對比

通過ROMAX軟件集成的動力學分析模塊，結合實測數據，對三擋運行時的接觸應力分布、齒輪傳遞誤差及殼體表面的振動響應加速度進行分析，如圖4。

圖4 三擋齒輪微觀修型前接觸應力分布

從仿真分析結果來看，三擋齒輪在嚙合時存在嚴重的偏載情況，齒輪傳遞誤差為1.3um（圖5），根據經驗值，變速器傳遞誤差峰值目標應控制在1um以內。通過ROMAX模擬分析出的殼體表面振動加速度與 NVH測試數據趨勢比較接近（圖6），進一步驗證了NVH測試的準確性。

圖5 三擋齒輪傳遞誤差

圖6 殼體表面振動加速度

4 變速器齒輪噪聲控制及優化

變速箱工作時，載荷變幅較寬，又因制造和加工誤差、軸系的安裝扭轉變形、輪齒的接觸變形、軸承間隙等復雜因素的影響，導致變速器齒輪副沿齒寬方向的齒形偏離理論輪廓，造成十分嚴重的載荷集中現象，從而加劇噪音，降低壽命[3]。通過對齒廓及齒向的微觀修形，可減少由制造、加工誤差及輪齒變形導致的嚙合沖擊，從而有效提高變速器齒輪的承載能力及嚙合性能。

表2 齒廓修形參數

表3 齒向修形參數

根據相關公式及ROMAX軟件優化后得出齒輪修形量（見表2、表3）并導入軟件中，在100%載荷的工況下，通過齒輪微觀修形，接觸區域出現在齒面的中部，偏載現象未再出現（圖7），齒輪傳遞誤差的峰值由原來的1.3um減小到0.5um（圖 8），殼體表面振動加速度的最大值從 15m/s2減小到 9 m/s2（見圖 9）。

圖7 三擋齒輪微觀修型后接觸應力分布

圖8 三擋齒輪微觀修型后齒輪傳遞誤差

圖9 殼體表面振動 加速度對比

5 結論

本文通過NVH測試對變速器噪音進行采集，并對采集的數據進行階次分析及識別，確定出現問題的具體檔位及齒輪，再運用ROMAX軟件進行仿真建模，通過微觀幾何修形改變齒輪接觸斑點，降低齒輪傳遞誤差的峰值，分析出了齒輪微觀修形前后問題檔位齒輪振動引起殼體表面振動加速度。通過仿真分析表明，微觀幾何修形可降低變速器嘯叫噪聲，從而提升了整車NVH品質。