基于全路徑優化的變速器齒輪嘯叫噪音改善方法研究

欒文博

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基于全路徑優化的變速器齒輪嘯叫噪音改善方法研究

欒文博

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

文章針對裝備雙離合變速器的某緊湊轎車在研發階段遇到的三擋滑行嘯叫問題，采用從源頭到傳遞的全路徑優化視角，探討了改善嘯叫噪音的方法，實車噪音實驗發現：從源頭角度，通過合理設計齒輪副微觀修形參數，降低傳遞誤差，可以有效地改善車內嘯叫表現；從傳遞路徑角度，通過合理匹配換擋拉索的質量塊，增強防火墻內隔聲墊的隔聲性能，可以在一定程度上分別改善600-1100Hz較高頻段和420-490Hz較低頻段的車內嘯叫表現。

變速器齒輪嘯叫；傳遞誤差；傳遞路徑；全路徑優化；改善方法

引言

隨著汽車的普及，人們對駕駛和乘坐汽車的舒適性要求也越來越高。從第三方平臺售后抱怨數據的統計結果中可以清晰看出，中國區域的客戶對汽車的振動噪聲表現尤為關注。因此提升整車產品的振動噪聲表現，目前是整車廠商工作的核心之一。嘯叫噪音作為變速器本體的主要振動噪聲問題之一，是每一個整車產品在開發過程中不能回避的工作。

王澤貴等根據齒輪振動傳遞路徑理論，在汽車變速器下線臺架上選擇了兩個振動測量點，同時測量該位置處的變速器振動，并把各擋位齒輪嚙合階次的下線臺架的振動、整車上變速器的振動、噪聲數據進行了相關性分析，確定了臺架上的最佳測量位置和嘯叫振幅臨界值[1]。張國耕等從傳遞誤差角度對變速器齒輪傳動平穩性進行評價，改進齒輪修形參數設計，降低齒輪傳遞誤差幅值，并采用六西格瑪設計方法，考慮制造公差影響，對變速器齒輪修形參數進行了穩健性評估[2]。施全等以客觀評價參數計算結果為神經網絡輸入，聲品質主觀評價結果為輸出，引入徑向基神經網絡建立了變速器聲品質預測模型，利用各網絡層間連接權值，計算變速器聲品質客觀評價參數對主觀評價結果的影響權重，發現變速器嘯叫主要受SIL-4、總響度和隨時間響度三個客觀量的影響[3]。臧孟炎等研究了各微觀修形參數對3/4擋主減速齒輪傳遞誤差的影響，以傳遞誤差加權平均值為評價指標，使用正交試驗優化方法，得到了傳遞誤差最小結果的微觀修形參數組合，大幅降低了3/4擋主減速齒輪嘯叫噪音[4]。

針對變速器嘯叫噪音的研究，大多聚焦于降低源頭激勵來有效改善嘯叫，也是工程中優先使用的方法。但是嘯叫噪音傳遞到車內被乘員感知，路徑的控制和優化同樣重要。本文則采用從源頭到傳遞的全路徑優化視角，以裝備某雙離合變速器的某緊湊轎車三擋滑行嘯叫為例，來探討對嘯叫噪音的改善。

1 齒輪嘯叫源頭識別與競品分析

齒輪嘯叫的車內表現則是一個或多個固定階次的窄帶中高頻口哨聲，較易被客戶感知并抱怨。平行軸齒輪副嘯叫噪音的主階次由齒輪副主動齒數及所在軸的轉頻和參考軸轉頻決定[5]，如下所示。

式（1）中，f為主動齒所在軸的轉頻，f為參考軸的轉頻，z為主動齒齒數。

此外，某些嘯叫還體現為主階次的高階諧波，以及由于調制現象存在而產生與主階次共存的調制階次，這些會使車內表現更為抱怨。

圖1 三擋滑行工況嘯叫車內噪音階次分析

在裝備雙離合變速器的某緊湊轎車的研發過程中，就發現了在三擋滑行工況下較為嚴重的嘯叫噪音問題。根據該雙離合變速器的結構，三擋工作時，主要有三擋齒輪副、偶數輸出軸主減速齒輪副傳遞動力，五擋齒輪副和奇數輸出軸主減速齒輪副空轉。通過采集實車對應工況下的駕駛員右耳處聲音并進行時頻及階次分析，如圖1所示。

從圖1中可以看出，車內嘯叫噪音主要體現在21階，與該雙離合變速器三擋齒輪副的嚙合階次相同，因此此嘯叫問題的源頭為三擋齒輪副。抱怨區域只要集中在1200~1600rpm（頻率段為420~560Hz）和2200~2800rpm（頻率段為770~ 980Hz）左右，并以后者最為明顯。

通過對中國區域市場上競品車型三擋滑行車內嘯叫噪音的采集與分析，并且綜合對成本、耐久性能的考慮，定義了某緊湊轎車的三擋嘯叫改善目標為車內階次噪音不超過39dB(A)，如圖2所示。

圖2 競品車內三擋嘯叫階次噪音最大值

2 基于全路徑的嘯叫噪音產生機理

嘯叫噪音傳遞到車內，主要的原因有兩點，一是源頭激勵大，二是傳遞路徑的敏感度較高。

2.1 源頭

變速器齒輪嘯叫噪音產生的源頭在于齒輪嚙合，由于輪齒的嚙入和嚙出，其接觸受力部位從齒根到齒頂再到齒根周期交替變化，使得輪齒間的嚙合剛度也呈動態周期變化，加上齒輪副嚙合錯位，導致了動態嚙合激勵的出現。在工程上，可以采用傳遞誤差來衡量齒輪動態嚙合激勵的大小。

傳遞誤差是指在基圓半徑上主動齒與被動齒上某測量點間的旋轉位移差，它隨嚙合位置變化而周期性變化[6]，如式（2）所示。

式（2）中，1和2分別為主動齒和被動齒上某測量點的角位移，1和2分別為主動齒和被動齒的基圓半徑。

影響傳遞誤差主要有兩大因素，一是齒輪本身的設計參數，二是嚙合錯位。齒輪本身的設計參數，既包括了齒數、模數、壓力角、螺旋角、重合度、齒寬等宏觀參數，又包括了齒形鼓形量、齒形角度偏差、齒向鼓形量、齒向角度偏差、齒頂修緣等微觀參數。嚙合錯位是由于齒輪軸、軸承、變速器殼體變形，以及軸承游隙等系統綜合原因而產生的，主要體現在齒輪副嚙合面為點接觸或接觸線較短，產生偏載，使得傳動不平穩[7,8]。

齒輪副動態嚙合激勵，通過軸、軸承傳遞到變速器殼體上，如果激發了殼體的整體或局部振型模態，則內部嚙合激勵將會被放大向外傳遞。

2.2 傳遞路徑

變速器齒輪嘯叫噪音傳遞到車內，主要有兩大路徑，即結構聲傳遞路徑和空氣聲傳遞路徑。

在結構聲傳遞路徑上，也有兩條主要路徑。一是通過動力總成支架及懸置傳遞到車身進入車內，二是通過換擋拉索直接傳遞至車內。工程經驗上，一般400~600Hz的嘯叫主要通過懸置傳遞，而更高頻率，如600Hz以上，甚至上千Hz的嘯叫，則主要通過換擋拉索傳遞。實際工作中，可以通過斷開換擋拉索與變速器的連接，來快速地排查這一路徑。

整車聲學包隔聲性能的好壞，直接影響了空氣聲傳遞。聲學包的開發是整車振動噪聲開發中很重要的一環，考慮到成本因素，聲學包的目標定義往往與車輛級別相匹配。工程上，通過基于能量的噪音衰減增益來最終衡量聲學包的性能。

3 基于全路徑優化的改善嘯叫方法研究

下面基于從源頭到傳遞的全路徑優化，來探討改善嘯叫的方法。通過仿真分析和實車實驗，發現懸置支架頻率與本文研究的嘯叫頻率范圍并不吻合，且隔振率滿足要求，因此主要從源頭、換擋拉索和聲學包三個方面進行研究。

3.1 降低源頭激勵的方法

如前所述，降低源頭激勵的方法，主要是降低傳遞誤差，改善齒輪傳動的平順性。優化宏觀參數和軸系設計是在變速器設計早期主要的考慮方向，如增加齒數、減小模數、增大螺旋角、增大齒寬，以增大齒輪副嚙合的重合度，增強軸系支撐剛度以減小齒輪嚙合時軸系變形，來降低傳遞誤差。但在變速器樣機裝車后，改變齒輪的宏觀參數會受到空間、成本等的限制，因此更多地會從微觀參數修形的角度，來降低齒輪副的傳遞誤差。

以本文研究的雙離合變速器三擋滑行嘯叫為例，基于商業軟件，綜合考慮齒輪宏觀參數、齒軸分布、軸承及殼體支撐剛度等，在優化齒面載荷分布的同時，研究了齒輪微觀修形參數對三擋齒輪副傳遞誤差的影響。

圖3 三擋齒輪副滑行面傳遞誤差

針對三擋滑行工況，對比了改變齒形起鼓修型（齒形鼓形量C）的方案，由于三擋滑行工況也為低扭矩，因此最終選擇齒形鼓形量名義值從6μm降低到3μm的方案，從而達到降低滑行工況傳遞誤差的效果，如圖3所示。

這里給出齒形起鼓修形前后，實車測試的車內三擋滑行嘯叫噪音對比，如圖4所示，不難發現齒輪副微觀修形可以有效地降低嘯叫的源頭激勵，改善車內表現。

圖4 齒輪微觀修形前后的三擋滑行嘯叫對比

3.2 降低換擋拉索傳遞的敏感度

換擋拉索連接了變速器上的換擋機構和車內的換擋手柄，較容易將變速器的振動傳遞到車內。工程上多采用在拉索上增加質量塊和優化隔振墊來降低振動的傳遞。質量塊的具體位置和質量需要經過實車調教，如圖5所示。以本文為例，研究發現在靠近變速器一側增加質量塊，可以有效降低600~1100Hz范圍內傳遞到車內的滑行嘯叫噪音，圖6為只改變換擋拉索前后車內嘯叫噪音的對比情況。

圖5 換擋拉索及質量塊

圖6 換擋拉索質量塊對車內嘯叫的改善

3.3 增強聲學包的隔聲性能

增強聲學包的隔聲性能有較多的解決方案，針對嘯叫，工程上多采用增強防火墻內隔聲墊隔聲性能的方式，來降低前艙傳遞到車內的嘯叫。本文案例中，更換防火墻內隔聲墊的材料、增加材料密度后，經過實車實驗發現，在前艙噪音相當的情況下，有效降低了420-490Hz頻段的車內三擋滑行嘯叫噪音。圖7為只改變防火墻內隔聲墊前后嘯叫噪音的對比情況。

圖7 防火墻內隔聲墊加強對車內嘯叫噪音的改善

疊加上述三擋齒輪副滑行面齒向起鼓修形、增加換擋拉索質量塊、增強防火墻內隔聲墊三種方案后，車內三擋滑行嘯叫階次噪音相對與之前的抱怨狀態對比，如圖8所示。車內改善效果非常明顯，1200~1600rpm區間內至少降低了約6dB(A)，2200~2800rpm區間至少降低了約10dB(A)，使得車內階次噪音最大值低于39dB(A)，滿足了開發目標，并在同類車型中具備相當的競爭力。

圖8 三個優化方案疊加后改善效果

4 總結

文章以裝備雙離合變速器的某緊湊轎車在研發過程中遇到的三擋滑行嘯叫為研究對象，從全路徑優化的視角，探討了改善三擋嘯叫的方法。研究發現：

（1）從源頭角度，通過合理設計齒輪副微觀修形參數，降低傳遞誤差，可以有效地改善車內嘯叫表現；

（2）從傳遞路徑角度，通過合理匹配換擋拉索的質量塊，增強防火墻內隔聲墊的隔聲性能，實車實驗發現可以在一定程度上分別改善600-1100Hz的較高頻段和420-490Hz的較低頻段的車內嘯叫表現。

[1] 王澤貴,周易等.變速器嘯叫聲與下線臺架振動的相關性試驗研究.振動與沖擊,2012,Vol.31(23):180-184.

[2] 張國耕,王全任等.基于傳遞誤差的齒輪修形參數穩健性評估.上海汽車,2017(9):14-20.

[3] 施全,柳培海等.變速器嘯叫聲品質的RBF神經網絡預測與權重分析.振動與沖擊,2017,Vol.35(6):175-200.

[4] 臧孟炎,董豪哲等.基于正交試驗設計的變速器嘯叫特性優化.汽車工程,2018,Vol.40(6):713-718.

[5] 欒文博,吳光強等.基于階次跟蹤的變速箱嘯叫噪聲分析.振動與沖擊,2013,Vol.32(11):95-99.

[6]尹建民,張國耕等.變速器齒輪嘯叫前期研究.上海汽車,2018(6):28- 34.

[7] 胡嘵嵐,周云山等.考慮金屬帶張緊力影響的CVT噪聲分析與優化.汽車工程,2017,Vol.39(12):1431-1437.

[8] 彭國民,康黎云等.變速器齒輪傳遞誤差分析與優化.汽車技術, 2009(12):95-99.

Improvement method research of transmission gear whine noise based onfull path optimization

Luan Wenbo

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201 )

Aiming to the DCT 3rd gear coast whine noise of compact car under development phase, full path optimization which consider both source and transfer is used to discuss the improvement method of whine noise. Based on vehicle noise test, it is found that whine noise could be improved by designing micro-geometry parameters to reduce transmission error, adding mass on shift cable and enhancing the noise reduction of dash-inner could also improve whine on high(600-1100Hz) and low(420-490Hz)frequency range.

transmission gear whine noise;transmission error;transfer path;full path optimization;improvement method

U463

A

1671-7988(2019)08-181-04

U463

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1671-7988(2019)08-181-04

欒文博，同濟大學車輛工程專業工學博士，目前就職于泛亞汽車技術中心有限公司驅動系統部，負責驅動系統NVH開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.056