基于齒輪輪輻結(jié)構(gòu)的噪聲-振動-平順性優(yōu)化研究

葛海龍 姜德艷 李小亨 楊本洋

提出了1種基于齒輪輪輻結(jié)構(gòu)設(shè)計的噪聲-振動-平順性（NVH）優(yōu)化方法，分析了齒輪副動態(tài)嚙合力的成因及其影響因素，闡釋了齒輪輪輻結(jié)構(gòu)與齒輪副動態(tài)嚙合力間的關(guān)系。針對某混合動力項目，基于整車邊界條件、變速箱結(jié)構(gòu)及工作原理搭建了MASTA軟件模型，通過優(yōu)化惰輪軸輪輻結(jié)構(gòu)，獲得了在不同方案下齒輪副的動態(tài)嚙合力，進(jìn)而進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化齒輪輪輻結(jié)構(gòu)可明顯降低齒輪副的動態(tài)嚙合力，降低其動態(tài)響應(yīng)，改善整車NVH性能。輪輻結(jié)構(gòu);齒輪動態(tài)嚙合力;NVH;動力學(xué)仿真

0 前言

相對于傳統(tǒng)燃油汽車，混合動力或者純電動汽車因沒有發(fā)動機(jī)等背景噪聲，變速箱嘯叫[1-3]等問題更易被識別，從而會影響到整車噪聲-振動-平順性（NVH）水平。齒輪作為變速箱中的核心零部件，其在嚙合過程中產(chǎn)生的嘯叫程度對于整車NVH有著十分重要的影響。

對于如何改善齒輪嘯叫，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的分析和研究。鄭光澤等[4]提出1種殼體優(yōu)化措施，通過提高殼體剛度改善齒輪接觸性能，從而改善殼體表面動態(tài)響應(yīng)。郭棟等[5]通過建立齒輪嚙合耦合動力學(xué)模型，研究齒形誤差與動態(tài)嚙合剛度間的關(guān)系[6-7]，分析齒形誤差對齒輪系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。SINGH P K等[8]針對不同修形量和修形方法進(jìn)行組合，獲得了不同情況下的齒面接觸斑點(diǎn)，并通過試驗建立了不同組合與車內(nèi)噪聲間的對應(yīng)關(guān)系。

為改善齒輪嘯叫現(xiàn)象，本文在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2018YFB0105801新型高性價比機(jī)電耦合變速箱開發(fā)項目）的支持下，在優(yōu)化齒輪參數(shù)和殼體結(jié)構(gòu)的同時，提出了基于齒輪輪輻結(jié)構(gòu)設(shè)計的NVH優(yōu)化方法。首先，分析齒輪副動態(tài)嚙合力的成因，闡述齒輪輪輻結(jié)構(gòu)與齒輪副動態(tài)嚙合力間的關(guān)系;然后針對某混合動力項目變速箱，基于整車噪聲頻譜圖進(jìn)行階次識別，進(jìn)而通過優(yōu)化惰輪軸的輪輻結(jié)構(gòu)，獲得了不同方案間齒輪副動態(tài)嚙合力的對比關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)確定最終方案。在根據(jù)該方案進(jìn)行整車裝機(jī)后，技術(shù)人員對比并優(yōu)化了前后測試結(jié)果。結(jié)果表明，通過優(yōu)化齒輪輪輻結(jié)構(gòu)可有效降低齒輪副動態(tài)嚙合力，減小動態(tài)響應(yīng)，減輕問題工況點(diǎn)變速箱的嘯叫現(xiàn)象。

1 齒輪副動態(tài)嚙合力

1.1 齒輪副動態(tài)嚙合力成因

在齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)嚙合力是由齒輪副傳遞偏差和動態(tài)嚙合剛度共同作用的結(jié)果[9]。齒輪副傳遞偏差σTE，因齒輪加工誤差及安裝誤差等因素而產(chǎn)生，用以衡量齒輪副嚙合過程中實(shí)際嚙合點(diǎn)相對于理想嚙合點(diǎn)的偏離程度。如將任一嚙合位置的動態(tài)嚙合力F作為研究對象，則可認(rèn)為該處動態(tài)嚙合力F是因由嚙合過程中某瞬態(tài)位置傳遞誤差σTE作用在對應(yīng)的齒輪動態(tài)嚙合剛度上產(chǎn)生的，如式（1）所示。

F=σTE·Kv（1）

其中，σTE為齒輪副傳遞偏差;Kv為動態(tài)嚙合剛度。

由式（1）可知，除通過優(yōu)化齒輪微觀修形參數(shù)以降低傳遞誤差外，也可設(shè)法降低動態(tài)嚙合剛度，從而減小齒輪副動態(tài)嚙合力，以達(dá)到降低響應(yīng)和優(yōu)化NVH水平的目的（圖1）。

1.2 齒輪副動態(tài)嚙合力的影響因素

通過以上分析可知，齒輪副動態(tài)嚙合力主要與齒輪副自身激勵有關(guān)。具體而言，動態(tài)嚙合力主要由3部分組成，包括隨時間穩(wěn)態(tài)不變的嚙合力、穩(wěn)態(tài)周期性變化的嚙合力，以及動態(tài)隨機(jī)變化的嚙合力[10]。其中，動態(tài)嚙合力的連續(xù)不階躍變化由后兩者所決定。在齒輪副嚙合過程中的傳遞扭矩和穩(wěn)態(tài)不變的嚙合力由此產(chǎn)生。穩(wěn)態(tài)周期性變化的嚙合力由齒輪副宏觀參數(shù)決定，如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬和螺旋角等，以上參數(shù)共同影響齒輪嚙合過程中剛度的變化。動態(tài)隨機(jī)變化的嚙合力隨齒輪微觀接觸剛度而波動，其主要取決于齒輪微觀修形參數(shù)，如齒形和齒向微觀修形參數(shù)。此外，齒輪輪輻結(jié)構(gòu)、材料彈性模量等因素既會影響齒輪副宏觀剛度，也會影響其微觀剛度（圖2）。

綜上所述，齒輪副參數(shù)及結(jié)構(gòu)與其外部受載條件耦合在一起，共同決定齒輪副動態(tài)嚙合力的大小。

2 實(shí)例分析及優(yōu)化

基于某混合動力項目，在整車開發(fā)過程中，當(dāng)電機(jī)扭矩固定在45 N·m時，在3 000～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變速箱存在較為明顯的嘯叫現(xiàn)象。如圖3所示，技術(shù)人員根據(jù)整車測試結(jié)果繪制了噪聲頻譜圖。

由圖3可知，此時對應(yīng)的噪聲階次為41階，是由電機(jī)軸三聯(lián)齒在嚙合過程中產(chǎn)生的。根據(jù)上述分析得出的齒輪副動態(tài)嚙合力成因及影響因素，在齒輪副參數(shù)確定的前提下，通過優(yōu)化惰輪軸輪輻結(jié)構(gòu)，改變嚙合剛度，減小齒輪副動態(tài)嚙合力，改善齒輪副嚙合狀態(tài)，可以達(dá)到提升NVH水平的目的。

2.1 變速箱模型的建立

如圖4（a）所示，針對本文研究的變速箱，根據(jù)整車邊界條件，基于該變速箱結(jié)構(gòu)及工作原理，技術(shù)人員搭建了變速箱平面結(jié)構(gòu)模型。電機(jī)三聯(lián)齒結(jié)構(gòu)模型如圖4（b）所示。

如圖5所示，為了優(yōu)化惰輪軸輪輻結(jié)構(gòu)，技術(shù)人員建立了新的有限元模型，并導(dǎo)入MASTA軟件，以替換原有模型，并建立節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系。

2.2 齒輪副動態(tài)嚙合力仿真分析

根據(jù)上述建立的新有限元模型，技術(shù)人員針對整車抱怨的工況點(diǎn)進(jìn)行了仿真分析。圖6為齒輪副單位長度上的動態(tài)嚙合力仿真結(jié)果（仿真長度單位μm）。

由圖6可知，在扭矩45 N·m、轉(zhuǎn)速2 000～4 000 r/min區(qū)間內(nèi)，動態(tài)嚙合力存在較大峰值，因此判斷41階噪聲分貝值偏大。

根據(jù)以上分析，在齒輪參數(shù)確定的情況下，技術(shù)人員對惰輪軸輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。本案例主要針對減重孔形式展開，分為圓形孔和腰形孔，其在MASTA軟件中的有限元模型如圖7所示。針對上述不同形式的減重孔，對應(yīng)狀況下齒輪副單位長度上動態(tài)嚙合力的對比情況如圖8所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，采用圓形孔方案，在整車抱怨工況點(diǎn)（扭矩45 N·m、轉(zhuǎn)速2 000～4 000 r/min）區(qū)間內(nèi)，動態(tài)嚙合力峰值均有不同程度的降低，且在其他轉(zhuǎn)速下無抱怨惡化。這表明，惰輪軸采用該方案可使齒輪副動態(tài)嚙合力得到明顯改善。

2.3 整車試驗驗證

在惰輪軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，技術(shù)人員對該惰輪軸進(jìn)行了裝機(jī)并搭載于整車上進(jìn)行測試，此時噪聲頻譜圖如圖9所示，噪聲聲壓級對比如圖10所示。結(jié)果表明，與未優(yōu)化時進(jìn)行對比，可知整車NVH水平明顯提升。

3 結(jié)論

本文提出了1種基于齒輪輪輻結(jié)構(gòu)設(shè)計的NVH優(yōu)化方法，研究了齒輪副動態(tài)嚙合力的成因及影響因素，分析了齒輪輪輻結(jié)構(gòu)對齒輪副動態(tài)嚙合力的影響。

根據(jù)整車邊界條件，基于變速箱結(jié)構(gòu)及工作原理，技術(shù)人員搭建了變速箱動力學(xué)分析模型，進(jìn)而對惰輪軸輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得了在不同組合方案下的齒輪副動態(tài)嚙合力。在確定優(yōu)化方案后，技術(shù)人員進(jìn)行了搭載整車試驗，并對比了優(yōu)化前后的測試結(jié)果。

該試驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化輪輻結(jié)構(gòu)，可有效降低齒輪副動態(tài)嚙合力，減輕變速箱嘯叫現(xiàn)象，提高整車NVH水平。

[1]TADASHI T， KAZUHIDE T.Gear whine analysis with virtual power train[J]. Mitsubish Motors Technical Review， 2004， 16： 23-28.

[2]龐建， 諶剛， 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.

[3]SMITH J D. Gear noise and vibration [M]. New York： Marcel Dekker INC， 2003：30-81.

[4]鄭光澤， 黃修鵬， 郭棟. 柔性殼體對變速器齒輪副動態(tài)嚙合特性的影響分析[J]. 振動與沖擊，2017， 36（13）：140-145.

[5]郭棟， 石曉輝， 施全. 基于齒輪系統(tǒng)動力學(xué)的齒輪箱噪聲源分析[J]. 機(jī)械傳動， 2010， 34（3）： 53-55.

[6]張柳， 吳訓(xùn)成， 須俊健. 含時變嚙合剛度和誤差的斜齒輪動力學(xué)分析[J]. 機(jī)械傳動， 2016， 40（6）： 149-154.

[7]李亞鵬， 孫偉， 魏靜. 齒輪時變嚙合剛度改進(jìn)計算方法[J]. 機(jī)械傳動， 2010， 34（5）： 22-26.

[8]SINGH P K， RAMAN S A K. Study of effect of variation in micro-geometry of gear pair on noise level at transmission [C]. SAE Paper 2015-26-0130.

[9]葛海龍， 姜德艷， 楊本洋. 基于殼體動態(tài)響應(yīng)的齒輪NVH優(yōu)化[J]. 上海汽車， 2019（10）： 41-45.

[10]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.