汽車變速器嘯叫研究綜述

袁理 徐中明 袁瓊 郭能

摘要：汽車變速器噪聲對汽車聲學舒適性具有較大影響，而嘯叫是其主要噪聲之一。文章對變速器嘯叫的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了分析，分析了嘯叫產(chǎn)生的機理，同時結合國內(nèi)外對變速器嘯叫的研究和產(chǎn)生機理，提出了三種控制變速器嘯叫的措施。

關鍵詞：變速器嘯叫 研究現(xiàn)狀 機理

1 概述

隨著人們生活質(zhì)量水平的提高，消費者越來越重視汽車聲學舒適性，作為汽車動力傳動系統(tǒng)中的一個主要組成部分的汽車變速器，噪聲是車輛聲品質(zhì)的重點評價項目之一，變速器研制工作的核心內(nèi)容之一就是控制變速器的噪聲，尤其是控制變速器的嘯叫。

變速器的噪聲分為敲擊和嘯叫兩種，變速器敲擊主要是由于變速器輸入端扭矩波動引起非承載齒輪輪嚙合沖擊產(chǎn)生。變速器嘯叫是由于齒輪系統(tǒng)嚙合過程中齒對的傳遞誤差而產(chǎn)生，變速器嘯叫易于被用戶感知，具有如下的明顯特征：

第一，與齒數(shù)等相關且具有明顯的階次特征。

第二，由工作承載齒輪對產(chǎn)生。

第三，有可能出現(xiàn)在中高頻和較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

第四，嘯叫在箱體的固有模態(tài)被激勵共振后表現(xiàn)更為顯著。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外對變速器噪聲的控制研究較多[1-12]，對于導致變速器嘯叫產(chǎn)生的機理性研究，Tadashi TAKEUCHI，Sarah Curtis[3-4]等人開展了深入細致的研究工作，他們對引起齒輪嚙合激勵的傳遞誤差產(chǎn)生機理和影響因素進行了理論剖析，利用專業(yè)軟件建立了傳動系統(tǒng)的傳遞誤差CAE計算模型和數(shù)值預測及優(yōu)化方法，搭建了專門的傳遞誤差測量臺架進行驗證，為在產(chǎn)品開發(fā)前期進行嘯叫預測及激勵源優(yōu)化找到了有效的方法和工具。Andrew Smith[5]研究了行星齒輪系統(tǒng)中各種變形和間隙對傳遞誤差的影響，特別是深入研究對比了行星齒輪銷的徑向、周向、傾斜位置誤差對傳遞誤差的影響，得到了圓周方向的傾斜相對其它方向影響更大的結論。Zdenek Neusser[6-9]等人為了預測齒輪的動態(tài)嚙合特性建立了齒輪接觸多體動力學模型，比較了不同詳細程度的齒輪接觸模型的仿真結果對比，并搭建了雙電機齒輪嚙合特性測量臺架進行驗證。

結構聲輻射理論隨著現(xiàn)代聲學理論的發(fā)展得到了巨大的發(fā)展，同時在汽車發(fā)動機表面噪聲輻射的研究中得到了廣泛的應用。近些年，國外一些工程師鑒于結構聲輻射理論應用于發(fā)動機降噪研究的成功也將其引入了變速箱的降噪研究中[10-12]。目前我國也開始對基于變速器箱體表面噪聲輻射進行研究。

從原理上，輻射數(shù)值法分為離散方法（有限元法、邊界元法和無限元法）和能量方法（統(tǒng)計能量法和能力有限元法）。對結構聲場的仿真主要基于聲輻射數(shù)值方法重構結構的聲場，目前基于邊界元理論主要采用最小二乘法對結構聲場進行重構。

此外，在模態(tài)分析的基礎上，國外工程師提出了一些新的研究方法并開發(fā)了一些相應軟件，其中有些已經(jīng)在實際工程中得到應用并取得良好的效果。

LMS Virtual Lab軟件由于能夠?qū)涨坏穆晥龇植己吐晫W載荷引起的聲學響應進行分析，因此具有十分強大的功能，它是比利時的LMS公司開發(fā)的全球聲振設計和優(yōu)化的先驅(qū)。計算得到的結果包括：聲壓、輻射功率、質(zhì)點速度、聲強、板塊貢獻量、能量密度、聲振靈敏度等，尤其是在聲學有限元求解器做外場聲學分析方面（如發(fā)動機噪聲輻射）發(fā)展的FEM PML/AML技術都取得了突破性的進展，從而快速幫助噪聲控制工程師優(yōu)化產(chǎn)品的聲振特性。

德國的HEAD公司長期研究人工頭，其開發(fā)的雙耳采集系統(tǒng)完成模擬人耳的特征，在主觀評價噪聲方面發(fā)揮了有利的作用。此外，將Artimis軟件應用于聲音回訪和階次互動濾波兩項功能，能夠更加容易地辨識噪聲源，因此，此軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對于變速器嘯叫的產(chǎn)生和控制研究，國內(nèi)的專家學者也作了大量的研究總結[13-22]。文獻[17]通過振動噪聲臺架試驗識別出產(chǎn)生嘯叫的主要激勵源是齒輪副的嚙合沖擊，提出通過減小側(cè)隙、增大重合度、輪齒的微觀修形等對齒輪副進行優(yōu)化，以降低變速器由于齒輪產(chǎn)生的嘯叫聲音。文獻[18]提出齒輪在嚙合傳動過程中所受的激振力是產(chǎn)生齒輪噪聲的根本原因，并分析了齒輪宏觀設計參數(shù)、齒輪精度、齒輪工作條件對噪聲的影響。文獻[20]提出根據(jù)機理的不同，齒輪系統(tǒng)中可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種，且由于齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)各零部件產(chǎn)生振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來的自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源，并從齒輪設計、齒輪加工、輪系及齒輪箱裝配、輸入扭矩等方面探討了對齒輪噪聲的影響程度和減噪控制優(yōu)化設計方向。文獻[23]結合工作實際，對齒輪剃齒加工修形工序控制進行了摸索，通過齒輪輪齒的齒向和齒形修形明顯改善了齒輪傳動的平穩(wěn)性，并通過對齒輪輪齒的齒頂和齒根的修緣，有效地改善了齒輪的嚙合性能，降低了齒輪的噪聲和振動，延長了齒輪的使用壽命。NSK中國技術中心的專家[13]提出變速器軸承固有的振動噪聲特性將影響變速器的嘯叫表現(xiàn)，軸承類型、軸承支承剛度、軸承預緊等都對變速器嘯叫有明顯作用。

文獻[24]采用有限元和邊界元聯(lián)合的方法，在變速器仿真技術方面分析研究了變速器箱體的輻射噪聲和箱體受到的激勵載荷。然后進行強迫振動有限元的數(shù)值仿真計算并進行試驗驗證，最后將振動的有限元計算結果作為箱體邊界元模型的邊界條件進行噪聲輻射的數(shù)值仿真計算。根據(jù)計算的結果，對該箱體的結構進行有針對性的加筋強化，結果表明，進行加筋處理后的箱體噪聲輻射能得到有效的抑制。

4 變速器嘯叫聲產(chǎn)生機理

對于變速器嘯叫的控制和優(yōu)化工作，主要集中在變速器本體和整車傳遞路徑的振動和噪聲特性研究上。通過利用仿真和試驗工具進行分析優(yōu)化，降低變速器各擋所含階次的振動和噪聲水平，最終達到提升變速器嘯叫性能的目的。

根據(jù)變速器噪聲產(chǎn)生機理分類，均為變速器齒輪箱內(nèi)部嚙合激勵產(chǎn)生的結構噪聲。根據(jù)車內(nèi)感知的變速器階次噪聲的傳播途徑，一般又可以分為直接傳入車內(nèi)的空氣輻射嘯叫噪聲和通過結構傳遞路徑傳入車內(nèi)的結構嘯叫噪聲兩方面。前者由變速器齒輪箱內(nèi)齒輪嚙合激勵通過齒輪軸系將振動能量傳遞到殼體表面，變速器殼體表面的振動帶動氣體分子的振動以縱波的形式傳遞到車內(nèi)；后者則是將變速器殼體表面的振動通過懸置、拉索等結構傳遞路徑，將振動傳給車身、車內(nèi)面板件向車內(nèi)輻射噪聲。另外還有一種可能性是變速器內(nèi)部齒輪對嚙合時直接發(fā)聲，并直接通過空氣傳入車內(nèi)，但實際情況中齒輪箱體是一個較厚實的隔聲密閉系統(tǒng)，此部分直接嚙合聲傳入車內(nèi)的可能性或貢獻量很小。圖1給出了變速器嘯叫噪聲產(chǎn)生及傳播路徑。

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5 總結

結合國內(nèi)外對變速器嘯叫聲的研究和變速器嘯叫噪聲產(chǎn)生及傳播原理，若要對變速器的嘯叫噪聲進行控制，可以分別或綜合采用以下措施：

措施一：降低變速器齒輪嚙合激勵（輸入）。如通過優(yōu)化軸系布置、提高齒輪軸系剛度、調(diào)整齒輪宏觀和微觀參數(shù)，降低齒輪傳遞誤差，使齒輪嚙合力盡量小且波動幅值小。

措施二：優(yōu)化變速器結構和懸置、拉索等部件（傳遞函數(shù)）。提高變速器結構件剛度將系統(tǒng)的固有模態(tài)頻率移除激勵頻率范圍之外、增大結構阻尼從而減小響應幅值、消除振動傳遞通道或改善整車傳遞路徑，如提高齒輪軸系剛度（增大直徑或加筋），提高聲輻射能力占主導的變速器殼體剛度（設計高剛度殼體骨架、增加零部件加強筋、增加螺栓連接）；或者對激勵振動路徑作隔振減振處理，隔斷能量傳遞路徑或減小能量的傳遞。

措施三：隔聲優(yōu)化響應。利用隔聲材料，阻斷部件表面振動向大氣輻射噪聲。如發(fā)動機艙吸聲綿、車內(nèi)內(nèi)飾吸聲件的使用。

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基金項目：

重慶市科技攻關項目cstc2012gg-yyjs60001資助。

作者簡介：

袁理（1963-），男，重慶人，重慶科技學院副教授，雙學士學位，主要從事車輛工程的教學與研究。