變速箱齒輪噪聲機(jī)理及應(yīng)對措施研究

徐麗梅，石月奎

引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車已經(jīng)不再僅僅滿足結(jié)實耐用的一般需求，在舒適性特別是車內(nèi)噪聲方面已經(jīng)有了顯著的改善，怠速工況的車內(nèi)噪聲從幾年前的45-46 dB(A)已經(jīng)降低到現(xiàn)在42dB(A)左右，甚至有些已經(jīng)達(dá)到了40 dB(A)，要達(dá)到這個級別的聲壓級，懸置、進(jìn)排氣等系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的影響已經(jīng)很小，而動力總成帶來的噪聲特別是怠速工況下變速箱的噪聲對車內(nèi)噪聲的影響已經(jīng)成為了主要影響因素。

對于匹配手動變速箱的動力總成來說，發(fā)動機(jī)在工作過程中活塞往復(fù)運動，將燃燒壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動力，曲軸每轉(zhuǎn)動兩圈，即活塞往復(fù)運動兩次才有一次點火，燃燒在氣缸中發(fā)生一次，這樣就產(chǎn)生的扭矩波動，隨著發(fā)動機(jī)追求更好的動力性，缸內(nèi)平均有效壓力也在不斷增大，這種扭矩波動也越來越大。這一扭矩波動經(jīng)過離合器傳送到變速箱，盡管有離合器的減振，但是手動變速箱沒有高粘性阻尼的內(nèi)在液力變矩器[1]，所以無法消除變速箱的噪聲。

本文中所研究的MPV車型在怠速工況和勻速80km/h工況，駕駛員位置均能較明顯的聽到來自變速箱的噪聲，通過優(yōu)化離合器剛度和阻尼、優(yōu)化傳遞路徑等方法，顯著降低了變速箱噪聲對車內(nèi)特別是駕駛員位置影響。

1、變速箱齒輪噪聲產(chǎn)生的原因

根據(jù)產(chǎn)生原理的不同，變速箱齒輪噪聲可以分別嘯叫聲（Gear Whine)和敲擊聲（Gear Rattle）。

變速箱嘯叫聲一般是由傳遞力的那對齒輪副或者多對齒輪副間的傳動誤差導(dǎo)致，由于齒輪的相互撞擊，傳遞力的齒輪會產(chǎn)生形變，再加上齒輪存在加工誤差和齒輪副間存在配合間隙，使得在齒輪副傳遞力的過程中不斷地產(chǎn)生撞擊，從而形成了嘯叫聲；其頻率范圍一般為中高頻，且具有階次性，同樣還會存在諧波，即存在一階、二階等成分；主階次的聲壓級一般較總聲壓級小 10dB(A)以上，但是由于其頻帶很窄且隨著轉(zhuǎn)速增加頻率也增加，因而聽起來類似口哨聲，所以很容易被人察覺并產(chǎn)生不適感[2][3]。

變速箱的敲擊噪聲通常是由不傳遞力的齒輪副導(dǎo)致的，表現(xiàn)為金屬和金屬之間的敲擊聲；由于齒輪副不傳遞力所以其在旋轉(zhuǎn)方向上沒有約束，很容易受到發(fā)動機(jī)在運行過程中扭矩波動的影響產(chǎn)生敲擊；根據(jù)敲擊門檻值理論[4]，齒輪敲擊噪聲受驅(qū)動力矩、阻滯力矩和慣性力矩三者影響，當(dāng)阻滯力矩小于慣性力矩時，一般會產(chǎn)生敲擊；其頻率一般為寬頻帶，通常會在某一轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生，一般會出現(xiàn)在低速區(qū)間，沒有階次性特點，聽起來類似“咔嗒”聲或者“嘩啦”聲。

2、傳遞路徑分析及驗證

2.1 變速箱噪聲傳遞路徑分析

變速箱齒輪噪聲一般通過空氣和結(jié)構(gòu)兩種傳播方式傳遞到車內(nèi)，如圖 1。通過車身、車門等的孔洞和縫隙、車門密封條及地板等壁板直接傳入到車內(nèi)，是空氣聲傳播；通過換擋拉索、懸置支架、懸架等與車身的連接部件，引起車身壁振動從而傳遞到車內(nèi)，是結(jié)構(gòu)聲傳播。

對于空氣聲來說，通常采用的措施提高整車的隔性能，如提高車身的密封性能、提高車門密封條的接觸面積和采用隔吸聲性能更好的聲學(xué)包材料（特別是地板和防火墻等位置）等方法。

對于結(jié)構(gòu)聲來說，通常采用傳遞路徑的分析法。對于變速箱噪聲來說，變速箱作為激勵源，并通過懸置、拉索等多個路徑傳遞到車內(nèi)，每一個激勵分量和車內(nèi)的響應(yīng)都有一條傳遞路徑相關(guān)聯(lián)[5]。變速箱則通過某一條路徑的激勵而產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲響應(yīng)可以表達(dá)為：

其中， Hi( ω)為該路徑的傳遞函數(shù)； Xi( ω)為某一激勵力的力譜。

如果有這樣的n條傳遞路徑，那么車內(nèi)噪聲的聲壓級可表達(dá)為：

2.2 傳遞路徑查找及驗證

本文所要研究的車型的動力總成為縱置的布置形式，變速箱為帶有中間軸的5速變速箱（5個前進(jìn)檔和1個倒檔），其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

各級齒數(shù)比見下表，

表1 變速箱各檔齒比

怠速工況時，駕駛員位置能夠明顯的聽到“嘩啦嘩啦”的聲音和類似吹口哨的聲音，當(dāng)踩下離合器踏板后此聲音消失，初步判斷是由于變速箱內(nèi)部齒輪或同步環(huán)等金屬件產(chǎn)生的；通過聲音回放可以斷定“嘩啦嘩啦”聲音的頻率為815Hz左右（圖3中1所圈部分）。

由于頻率較高首先懷疑是空氣聲傳播，對該車型進(jìn)行了超聲波泄露檢查，發(fā)現(xiàn)中通位置的泄漏較嚴(yán)重，且車身鈑金直接裸露，于是對此部位進(jìn)行了聲學(xué)處理，處理前后的對比見圖4。

處理后進(jìn)行了主觀評價，發(fā)現(xiàn)“嘩啦”沒有明顯的變化，于是決定從結(jié)構(gòu)傳遞路徑查找根源，又排查了換擋拉索和變速箱懸置支架。通過測試變速箱懸置的隔振測試發(fā)現(xiàn)，變速箱懸置車身側(cè)在 840 Hz區(qū)間的振動要明顯大于發(fā)動機(jī)左懸置，變速箱懸置車身側(cè)支架的振幅為 2.6 m/s2，發(fā)動機(jī)左懸置振幅為0.3 m/s2，其振動對比見圖5。

為了進(jìn)一步確定800Hz左右的聲音是由變速箱懸置這條路徑傳遞到車內(nèi)的，對變速箱的變速箱側(cè)支架和車身側(cè)支架進(jìn)行了FRF（頻率響應(yīng)函數(shù)Frequency Response Function）的測試，傳感器布置方式和測試懸置隔振時相同，見圖6左側(cè)圖。

通過對比變速箱懸置的主被動側(cè)支架頻率響應(yīng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同樣激勵下變速箱側(cè)支架對800Hz的響應(yīng)更大（圖7中紅色實線），為了降低變速箱側(cè)懸置支架的頻響特性，在支架上附加了約1000g的質(zhì)量塊（見圖6中的右側(cè)圖），再次對支架進(jìn)行了頻響函數(shù)的敲擊測試，測試結(jié)果見圖7種綠色虛線，通過和原狀態(tài)的響應(yīng)對比，可以發(fā)現(xiàn)附加質(zhì)量后在800多Hz頻率段的響應(yīng)明顯降低，且在整個頻率段（0-1600Hz）沒有峰值存在，效果比較明顯。

為了驗證效果，測試了附加質(zhì)量后怠速工況車內(nèi)噪聲，與最初狀態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，在815Hz頻率附近的峰值有較明顯的下降，降低了近 10dB（A），同時主觀感覺“嘩啦”的聲音也基本感覺不到，說明對變速箱懸置主動的支架進(jìn)行附加質(zhì)量后可以有效降低變速箱敲擊聲從懸置支架這條路徑傳遞到車內(nèi)的能量。

3、離合器及齒輪優(yōu)化驗證

怠速主觀評價時除了能聽到“嘩啦”聲外，還存在一種類似口哨的聲音，經(jīng)過聲音回放可以確定其頻率為261Hz左右（圖3中2號圈位置），同時該試驗車在勻速80km/h行駛時，駕駛員右耳位置能聽到更加明顯的口哨聲，其頻率為855Hz，其頻譜如圖9所示。

在怠速工況和五檔 80km/h勻速行駛時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為750rpm和2430rpm，則發(fā)動機(jī)激勵的基頻為：

f80km/h=ne/60=2430/60=40.5Hz變速器長嚙合齒輪副的齒比為32:21，那么長嚙合主動齒在怠速工況和80km/h的勻速工況激勵頻率分別為：

f2=f80km/h*n=40.5*21=850.5Hz其中 n為長嚙合齒輪副主動齒數(shù)；f1和f2分別為怠速和勻速80km/h時主動齒的激勵頻率。

通過對比f1和圖3中2號圈位置的頻率、f2和圖9所圈位置的頻率基本吻合，可以斷定兩種工況聽到的口哨聲均是由長嚙合齒輪副中的主動齒導(dǎo)致的。針對此問題，首先對原車所配離合器的剛度（約為40Nm/o）進(jìn)行了調(diào)整，降低10%的剛度，同時增加約10%的阻尼，調(diào)整前后離合器的照片（彈簧由5圈減少到4圈），見圖10。

同時，對長嚙合的齒輪進(jìn)行了齒輪的修形，盡可能的使齒面在傳遞力的過程中齒面壓力均勻，降低其傳遞誤差。實施這兩個措施后，怠速工況的測試結(jié)果，見圖10，從colormap圖的對比可以明顯的看到，在260Hz頻帶的顏色明顯變淺，同時主觀感覺口哨聲基本消失。

從圖12的勻速80km/h測試結(jié)果對比可以明顯的看到，800Hz頻率段的噪聲峰值降低了超過 10dB(A)，口哨聲已經(jīng)消失，車內(nèi)噪聲值也從原狀態(tài)的67.96 dB(A)降低到了65.68 dB(A)，主觀感覺已無明顯的變速箱嘯叫聲，效果較好。

通過降低離合器剛度增加阻尼的方法可以降低發(fā)動機(jī)傳遞到變速箱的扭矩波動，降低怠速工況下的變速箱噪聲；通過優(yōu)化長嚙合齒輪的齒形，可以改善齒輪在嚙合過程中的接觸面，降低齒輪的傳遞誤差，從而降低齒輪的嘯叫聲。

4、結(jié)論

通過對變速箱噪聲產(chǎn)生機(jī)理的分析，對車內(nèi)噪聲的影響主要通過結(jié)構(gòu)傳遞和空氣傳遞；

怠速工況下的變速箱敲擊聲更容易通過結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)，需要特別關(guān)注換擋拉索和變速箱懸置支架等路徑；

通過聲音回放的方式可以較容易的判斷異響出現(xiàn)的頻率，并根據(jù)階次跟蹤的理論可以較快速的判斷產(chǎn)生嘯叫聲的齒輪副；

降低優(yōu)化離合器剛度、增大阻尼可以降低發(fā)動機(jī)傳遞到變速箱的扭矩波動；

優(yōu)化齒輪的齒形，保證齒輪在受力的過程中接觸面受力均勻，降低傳遞誤差可以有效地改善齒輪的嘯叫聲。

[1] M.Y Wang，R.Manoj，W.Zhao，汽車手動變速箱的齒輪敲擊模擬和分析 [J]，傳動技術(shù)，2002，16（4），27-32.

[2] Ashish Kanase,Yogiraj Mane, Amey Kulkarni, Manual Gearbox Gear Whine Noise Prediction and Importance of Parametric nsitivity in NVH[J],SAE 2013-26-0091.

[3] 江會仙，汽車手動變速箱嘯叫的原因分析與改進(jìn)[D].南京:南京航空航天大學(xué).2014.

[4] 李潤方，王建軍. 齒輪系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

[5] 龐劍，剛，何華，汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.