LMSTest.Lab 在變速器NVH 改進(jìn)中的應(yīng)用

洪文波，康海波，張志杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及產(chǎn)品零部件開發(fā)水平的快速提升,汽車廠商和客戶對(duì)汽車整車性能的要求變得越來越高,而NVH 性能作為整車性能的重要指標(biāo)之一,備受汽車廠商和客戶的密切關(guān)注，且排放和輕量化的需求，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和扭矩也越來越高，這導(dǎo)致變速箱的NVH 問題成為一個(gè)重要的問題；本文以某款MPV 車型為例，介紹運(yùn)用LMSTest.Lab 軟件對(duì)變速器NVH 問題進(jìn)行測試分析，并根據(jù)測試結(jié)果，查明故障的激勵(lì)源及傳遞路徑，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)積累并提出可行的優(yōu)化方案。

2 變速器NVH 問題分類

變速器噪聲主要為：嘯叫聲、敲擊噪聲、同步器結(jié)合噪聲及軸承噪聲。嘯叫聲是為帶負(fù)荷齒輪的彈性形變產(chǎn)生的嚙合噪聲，其特征為窄帶譜，頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，主要通過優(yōu)化齒輪的公差，齒輪加工質(zhì)量和齒形來解決，優(yōu)化齒輪和軸系受載變形、軸承裝配精度、提高殼體模態(tài)，減小傳遞路徑等也是解決變速器嘯叫的重要途徑；敲擊噪聲原理為主軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和空轉(zhuǎn)齒輪之間的沖擊，其特征為寬頻帶噪聲，出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速區(qū)間，其解決方案為主要為改變激勵(lì)、控制齒輪間隙、齒輪布置和齒數(shù)、慣性矩、齒輪材料、油粘度來解決；同步器結(jié)合噪聲是被選擇齒輪結(jié)合時(shí)的刮擦聲，其特征為同步器功能的損壞，同步器結(jié)合前部件間存在速度差，白噪聲頻譜；軸承噪聲是指運(yùn)行時(shí)軸承產(chǎn)生的噪聲，特別軸承損壞時(shí)。本文主要講解某款縱置MPV 在開發(fā)過程中遇到的變速器NVH 問題及運(yùn)用LMSTest.lab 解決和驗(yàn)證過程。

3 測試方法及軟件介紹

3.1 主觀評(píng)價(jià)概述

該款MPV 車型在主觀評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)主要五個(gè)問題：（1）加速和滑行存在明顯嘯叫聲；（2）加速工況低速時(shí)有類似變速器敲擊聲；（3）滑行工況有類似變速器敲擊噠噠聲；（4）怠速工況有類似敲擊聲；（5）一擋升二擋有沖擊現(xiàn)象。針對(duì)上述主觀問題，對(duì)變速器進(jìn)行NVH 測試，結(jié)合測試數(shù)據(jù)排查故障原因。

3.2 測試軟管介紹

本次測試使用LMS SCADAS Mobile 便攜的數(shù)采系統(tǒng)，利用LMS Test.Lab 模塊進(jìn)行測試、數(shù)據(jù)分析。LMS Test.Lab軟件是專門聲學(xué)和振動(dòng)測量而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)已成為眾多汽車公司的主要測試軟件。

3.3 測試方法介紹

變速器齒輪敲擊測試需要測試變速器近場噪音、駕駛員右耳噪音、變速器殼體的軸承座外殼體表面的振動(dòng)、變速器各擋位空載齒輪角加速度等。

測試車輛、工況：某款縱置車輛，二、三、四、五擋（WOT，POT，COAST）三種工況：

表1 測試工況

扭振傳感器傳感器布置：

表2 扭振傳感器布置

（1）振動(dòng)傳感器布置：振動(dòng)傳感器布置在變速器輸出軸、中間軸的軸承座對(duì)應(yīng)的殼體外表面。

（2）噪音傳感器布置：變速器近場300mm 處、駕駛員右耳處。

4 變速器噪聲測試及分析

該款MPV 車型在主觀評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)主要五個(gè)問題：（1）加速和滑行存在明顯嘯叫聲；（2）加速工況低速時(shí)有類似變速器敲擊聲；（3）滑行工況有類似變速器敲擊噠噠聲；（4）怠速工況有類似敲擊聲；（5）一擋升二擋有沖擊現(xiàn)象。針對(duì)上述主觀評(píng)價(jià)問題，對(duì)變速器進(jìn)行NVH 測試進(jìn)行定量分析，結(jié)合測試數(shù)據(jù)排查故障原因。

4.1 變速器嘯叫噪聲分析

按照變速器結(jié)構(gòu)簡圖及齒數(shù)，計(jì)算出變速器各擋嚙合階次匯總見表3。

表3 變速器齒數(shù)及嚙合階次

針對(duì)評(píng)價(jià)問題，對(duì)二、三、四、五擋采集數(shù)據(jù)，分別測試緩油門、全油門、帶擋滑行四種工況。利用LMS test lab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)在2 擋和常嚙合齒輪副有超標(biāo)，見圖1（紅色表示總和，綠色表示檔位階次，藍(lán)色表示常嚙合階次），3 擋和五檔的齒輪副嘯叫均在目標(biāo)以下，見圖3。

圖1 二擋緩油門工況

圖2 二擋全油門瀑布圖

圖3 三、四、五擋緩油門工況

對(duì)比瀑布圖，在常規(guī)轉(zhuǎn)速確實(shí)存在15.77 和24 階次線，但在1070HZ 左右有明顯的共振帶，是影響齒輪嚙合階次噪聲的的原因。進(jìn)一步排查，在輸出軸后殼體及懸置支撐梁布置振動(dòng)傳感器，讀取數(shù)據(jù)結(jié)果見圖3，共振帶不明顯，說明超出目標(biāo)值得噪聲不是由變速器激勵(lì)起來的。

圖4 變速器后殼體振動(dòng)圖

結(jié)論：該變速器常嚙合齒輪副和2 擋齒輪副引起的嘯叫階次有超過目標(biāo)值要求的轉(zhuǎn)速段；3 擋和5 擋的齒輪副的嘯叫聲在目標(biāo)值以下；但在瀑布圖上看，影響階次噪聲的原因?yàn)檐噧?nèi)存在1070HZ 的共振，通過排查非變速器產(chǎn)生，因此變速器嘯叫滿足NVH 要求。

4.2 變速器敲擊噪聲分析

敲擊機(jī)理：自松齒輪敲擊驅(qū)動(dòng)齒輪，敲擊發(fā)生時(shí)，齒輪慣性力矩大于齒輪阻力矩，一般出現(xiàn)在輕載或空載齒輪上，是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和齒輪側(cè)間隙的存在，在齒輪間出現(xiàn)重復(fù)沖擊而產(chǎn)生的廣譜噪聲現(xiàn)象。下面列舉了該車型滑行工況下2、3、4、5 擋數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如下：

圖5 滑行工況瀑布圖

從上圖5 看出，2、3、4 擋均存在不同程度敲擊，其中在在4 擋1700rpm～2440rpm 區(qū)間，較明顯。

變速箱產(chǎn)生齒輪敲擊噪聲的原因可能有兩方面：一是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振波動(dòng)較大，激發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振，導(dǎo)致出現(xiàn)齒輪敲擊聲；另一種情況是由于齒輪布置設(shè)計(jì)存在問題，導(dǎo)致被動(dòng)齒輪拖曳力矩設(shè)計(jì)不合理，致使出現(xiàn)齒輪敲擊聲，故進(jìn)行扭振分析：

圖6 全油門下2 擋角加速度圖

圖6 表示全油門加速工況變速箱飛輪端的轉(zhuǎn)速波動(dòng)值平穩(wěn)，滿足目標(biāo)要求，但變速箱輸入軸的角加速度波動(dòng)高于目標(biāo)值（600rad/s2），且在各擋位是存在放大現(xiàn)象，這說明離合器的剛度需要進(jìn)一步減小，阻尼進(jìn)一步增大；從圖7 中看出，傳動(dòng)軸角加速度傳入變速器的角加速度均有所衰減，因此滑行工況的敲擊噪聲不是由傳動(dòng)軸引起。齒輪副角速度差對(duì)比，通常不產(chǎn)生敲擊的空套齒輪副要求（經(jīng)驗(yàn)值）。

圖7 滑行工況傳動(dòng)軸與變速器角加速度

表4 變速器不產(chǎn)生敲擊角速度值

圖8 三擋時(shí)各擋空套齒輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖

以3 擋為例，讀取2、5、R 角速度差分別為94、62、120，其中2 擋和5 擋超出經(jīng)驗(yàn)值，存在敲擊的風(fēng)險(xiǎn)，按照此思路，分別測出各個(gè)檔位的加速、滑行工況的角加速度值，匯總?cè)缦拢?/p>

表5 各擋空套齒輪角加速度值

從表5 可知3 擋、2 擋和倒擋的角加速度波動(dòng)都較大，5擋較好，從齒輪角度分析，2 和3 擋是產(chǎn)生敲擊的主要來源；5 擋波動(dòng)小，慣量小，不易產(chǎn)生敲擊。

結(jié)論：該變速器敲擊主要原因?yàn)樽兯倨鬏斎胼S的角加速度超過目標(biāo)值；2、3 擋齒輪副慣量大是產(chǎn)生敲擊的主要來源。需要從離合器，齒輪慣量及軸承孔殼體剛度、精度來優(yōu)化。

4.3 變速器殼體輻射噪聲分析

變速器噪聲有兩條傳遞渠道，一種是輻射傳遞，一種是結(jié)構(gòu)傳遞。齒輪敲擊和嘯叫噪音通過變速器殼體表面進(jìn)行輻射傳遞，一般很難通過對(duì)車身的堵孔、增加吸音材料等減小1000Hz～8000Hz 頻率范圍內(nèi)的噪音。齒輪敲擊噪音主要通過變速器的支撐軸承傳遞到變速器殼體上，再以振動(dòng)傳遞形式經(jīng)過選換擋拉絲、懸置、排氣吊掛等傳遞到車身進(jìn)一步傳遞到駕駛室。加強(qiáng)變速器殼體軸承座動(dòng)剛度、減小變速器殼體的大平面等，可以減小齒輪敲擊的輻射傳遞、結(jié)構(gòu)傳遞。

現(xiàn)對(duì)該款MPV 殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，以2 擋全油門為例，測試結(jié)果如下：現(xiàn)檢查變速器后殼體輸出軸處（與懸置近）選擇以2 擋全油門為例，駕駛室右耳瀑布圖可看出在多處共振頻率帶，對(duì)比在殼體上振動(dòng)傳感器信號(hào)發(fā)現(xiàn)在1500HZ 與變速器后殼體右側(cè)振動(dòng)頻率接近。

圖9 主駕噪聲圖

圖10 中間軸軸承殼體頻譜圖

結(jié)論：中間軸軸承殼體上的共振頻率與車內(nèi)噪聲的共振頻率沒有相關(guān)性，中間軸的振動(dòng)沒有影響車內(nèi)噪聲。

圖11 輸出軸軸承殼體頻譜圖

結(jié)論：輸出軸軸承殼體上的共振頻率與車內(nèi)噪聲的共振頻率沒有相關(guān)性，輸出軸的振動(dòng)沒有影響車內(nèi)噪聲。

圖12 變速器后殼體右側(cè)振動(dòng)圖

圖13 變速器左前下側(cè)振動(dòng)圖

結(jié)論：結(jié)合圖11，圖12 和圖13 主駕的1500HZ，2470HZ，2880HZ 為殼體產(chǎn)生共振，動(dòng)剛度不足，需要優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)。

5 總結(jié)

經(jīng)過對(duì)測試數(shù)據(jù)分析，最終確認(rèn)該變速器嘯叫滿足要求，該變速器常嚙合齒輪副和2 擋齒輪副引起的嘯叫階次有超過目標(biāo)值要求的轉(zhuǎn)速段；3 擋和5 擋的齒輪副的嘯叫聲在目標(biāo)值以下，但在瀑布圖上看，影響階次噪聲的原因?yàn)檐噧?nèi)存在1070HZ 的共振，通過排查非變速器產(chǎn)生；該變速器存在齒輪敲擊，敲擊主要原因?yàn)樽兯倨鬏斎胼S的角加速度超過目標(biāo)值，2、3 擋齒輪副慣量大是產(chǎn)生敲擊的主要來源；該變速器殼體剛度不足，存在多處共振異響。

6 結(jié)束語

在變速器NVH 問題改進(jìn)中，充分運(yùn)用LMSTest.Lab 軟件，對(duì)整車車內(nèi)噪聲，傳動(dòng)系扭振及變速器振動(dòng)進(jìn)行測試及分析，準(zhǔn)確查明故障原因，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)給出詳細(xì)解決方案，從而快速準(zhǔn)確的解決變速器NVH 問題，避免了變速器NVH改進(jìn)過程中的盲目性，并縮短了改進(jìn)周期。