汽車手動(dòng)變速器齒輪嘯叫問(wèn)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(dòng)變速器齒輪嘯叫問(wèn)題，開展了道路試驗(yàn)、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)以及傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)嘯叫問(wèn)題進(jìn)行多方位的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以噪聲總級(jí)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(chǎng)均可以作為分析變速器嘯叫問(wèn)題的測(cè)試場(chǎng)地;在開展嚙合斑點(diǎn)測(cè)試時(shí)，一次性完成全部擋位嚙合斑點(diǎn)測(cè)試是可行的，通過(guò)優(yōu)化臺(tái)架測(cè)試方法，可以得到與整車測(cè)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(wèn)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(guò)調(diào)整修形方案，嘯叫現(xiàn)象明顯改善。上述工作對(duì)解決同類問(wèn)題具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)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(hào)：U463.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）02-0084-06

前言

齒輪的敲擊和嘯叫是手動(dòng)變速器常見的兩類NVH問(wèn)題。敲擊是輕載或空載齒輪副在輸入轉(zhuǎn)速波動(dòng)激勵(lì)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(guò)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(dòng)態(tài)傳遞誤差激勵(lì)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(guò)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(guò)程中，變速器齒輪副非工作齒面接觸，容易產(chǎn)生嘯叫問(wèn)題，且此時(shí)發(fā)動(dòng)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(lái)，從而引起車內(nèi)乘員的不適，此類滑行嘯叫問(wèn)題越來(lái)越受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索可知，目前已有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)變速器齒輪嘯叫問(wèn)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(chǎng)和傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行研究的較少。本文以某乘用車為研究對(duì)象，綜合利用多種試驗(yàn)手段，針對(duì)其在二擋滑行工況下存在的嘯叫問(wèn)題開展研究，為深入分析和解決此類問(wèn)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(dòng)機(jī)、匹配雙質(zhì)量飛輪、6擋手動(dòng)變速器，動(dòng)力總成前部縱置和后輪驅(qū)動(dòng)。依次開展整車道路測(cè)試、整車轉(zhuǎn)轂半消聲室測(cè)試以及傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)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(cè)試分別在中汽中心道路試驗(yàn)場(chǎng)和整車轉(zhuǎn)轂半消聲室進(jìn)行。噪聲信號(hào)取自駕駛員右耳，振動(dòng)信號(hào)取自后懸置主、被動(dòng)側(cè)，如圖1所示。開展振動(dòng)噪聲測(cè)試時(shí)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線，同步采集發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)。測(cè)試工況為2擋全油門（WOT）加速（1000-4000rpm）及滑行（4000-1000rpm）。

同時(shí)進(jìn)行基于整車的齒輪嚙合斑點(diǎn)測(cè)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(rùn)滑油。用平板車將車輛運(yùn)送至測(cè)試場(chǎng)地，測(cè)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(tái)架試驗(yàn)方案

臺(tái)架試驗(yàn)在中汽中心傳動(dòng)系統(tǒng)半消聲室進(jìn)行，開展基于臺(tái)架的齒輪嚙合斑點(diǎn)測(cè)試時(shí)，傳動(dòng)鏈由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、飛輪、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、過(guò)渡連接軸、負(fù)載電機(jī)（左、右各1個(gè)）組成，變速器通過(guò)連接工裝與驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼相連，為避免后橋因受支反力而跳動(dòng)，專門設(shè)計(jì)了工裝將后橋外殼鎖死。臺(tái)架嚙合斑點(diǎn)測(cè)試工況根據(jù)整車測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速確定。變速器傳遞誤差測(cè)試時(shí)，傳動(dòng)鏈由驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)試傳動(dòng)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(guò)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(píng)價(jià)指標(biāo)

為了探究齒輪嘯叫噪聲的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別在道路試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行二擋加速與滑行工況測(cè)試，車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。通過(guò)觀察色譜圖可以發(fā)現(xiàn)，加速時(shí)，可以觀察到25階次特征，但不明顯;滑行時(shí)，可以看到明顯的25階次特征。加速和滑行過(guò)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(jí)和總聲壓級(jí)進(jìn)行比較，如圖4所示。通常使用總聲壓級(jí)與階次聲壓級(jí)的差值，作為評(píng)判嘯叫的指標(biāo)，差值大于15dB（A），通常認(rèn)為嘯叫風(fēng)險(xiǎn)較小。加速過(guò)程中，總聲壓級(jí)與25階次聲壓級(jí)的差值基本都滿足大于15dB（A），說(shuō)明加速工況基本無(wú)嘯叫問(wèn)題;滑行過(guò)程中，總聲壓級(jí)與25階次聲壓級(jí)的差值在較多轉(zhuǎn)速處不滿足大于15dB（A）的要求，說(shuō)明滑行工況存在嘯叫風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試過(guò)程中，同步開展了主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果表明2擋加速基本無(wú)嘯叫問(wèn)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(cè)試結(jié)果一致，說(shuō)明可以使用總聲壓級(jí)與階次聲壓級(jí)差值大于15dB（A）作為評(píng)價(jià)嘯叫問(wèn)題的指標(biāo)。

2.3? ?測(cè)試環(huán)境分析

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

對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，見表2，二者從4000rpm滑行到1000rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩及滑行時(shí)間相差較小，說(shuō)明二者負(fù)載環(huán)境基本相同。由于轉(zhuǎn)轂測(cè)試沒(méi)有風(fēng)噪及路面隨機(jī)激勵(lì)的影響，背景噪聲比道路環(huán)境小，所以嘯叫問(wèn)題更容易被凸顯出來(lái)。使用轉(zhuǎn)轂半消聲室作為測(cè)試環(huán)境，有利于變速器嘯叫問(wèn)題的識(shí)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(duì)其隔振性能進(jìn)行評(píng)估。對(duì)象車輛動(dòng)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(duì)后懸置隔振性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖6所示。在測(cè)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(shuō)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(cè)試，先后開展了兩次測(cè)試，一次為僅測(cè)試二擋，另一次為測(cè)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(cè)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(dòng)齒輪反拖面嚙合斑點(diǎn)偏向右上方，說(shuō)明二擋齒輪副嚙合偏載，需要向左下方調(diào)整。而一次測(cè)試所有擋位與單獨(dú)測(cè)試一個(gè)擋位嚙合斑點(diǎn)基本相同，說(shuō)明其他擋位齒輪嚙合不會(huì)對(duì)二擋齒嚙合斑點(diǎn)測(cè)試結(jié)果造成影響，因此在變速器開發(fā)過(guò)程匯總開展的嚙合斑點(diǎn)測(cè)試，可以一次完成全部擋位測(cè)試，提高測(cè)試效率。

為了能夠在變速器開發(fā)前期，搭載整車前就對(duì)其嘯叫風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，可以充分利用臺(tái)架測(cè)試手段，對(duì)變速器的嘯叫表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文對(duì)基于臺(tái)架的變速器嚙合斑點(diǎn)測(cè)試方法進(jìn)行了探究，使用發(fā)動(dòng)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(lái)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(tái)架試驗(yàn)工況中加速到峰值轉(zhuǎn)速的停留時(shí)間取消后，涂料沒(méi)有異常掉落，可以得到與整車測(cè)試基本相同的嚙合斑點(diǎn)結(jié)果，如圖7（d）所示。說(shuō)明持續(xù)高轉(zhuǎn)速會(huì)增加涂料的異常掉落，在臺(tái)架試驗(yàn)中需盡量減少高轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間。

2.6? ?齒輪傳遞誤差

動(dòng)態(tài)傳遞誤差是齒輪嘯叫的主要激勵(lì)源，在傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)室開展變速器傳遞誤差測(cè)試，通過(guò)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(duì)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(shuō)明擋位齒輪傳遞誤差過(guò)大是導(dǎo)致嘯叫現(xiàn)象的主要原因，與整車噪聲測(cè)試結(jié)果一致。

3? ? 優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1? ?優(yōu)化方案

針對(duì)二擋擋位齒輪的偏載問(wèn)題，通過(guò)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(cè)結(jié)果，見表3所示，精測(cè)結(jié)果為各輪齒檢測(cè)結(jié)果的均值。

3.2? ?驗(yàn)證與對(duì)比

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

完成臺(tái)架驗(yàn)證后，進(jìn)一步開展整車搭載驗(yàn)證測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)，二擋滑行工況車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖10所示。25階次聲壓級(jí)與總聲壓級(jí)差值在多數(shù)轉(zhuǎn)速下均滿足大于15dB（A），說(shuō)明齒輪嚙合階次噪聲在總的噪聲中占比已經(jīng)較少，此時(shí)，車內(nèi)主觀感受已經(jīng)基本聽不到嘯叫噪聲。再次說(shuō)明優(yōu)化方案有效，二擋滑行嘯叫問(wèn)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(wèn)題，主要由于擋位齒輪嚙合偏載、傳遞誤差偏大引起，通過(guò)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(duì)變速器嘯叫問(wèn)題，可以使用總聲壓級(jí)與嚙合階次聲壓級(jí)的差值大于15dB（A）的標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與主觀感受基本一致。道路試驗(yàn)場(chǎng)及轉(zhuǎn)轂半消聲室均可以作為分析變速器嘯叫問(wèn)題的測(cè)試場(chǎng)地。在開展齒輪嚙合斑點(diǎn)測(cè)試時(shí)，可以選擇一次性完成全部擋位的測(cè)試。

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

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