手動變速箱齒輪敲擊問題研究

王從鶴，張國耕，劉鵬（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

手動變速箱齒輪敲擊問題研究

王從鶴，張國耕，劉鵬
（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

手動變速箱齒輪敲擊是一種常見的變速箱噪音。從齒輪敲擊產生機理出發，研究變速箱齒輪敲擊噪音的傳播過程，分析拉索與變速箱殼體模態參數對振動噪音傳播影響的機理。結合某車型加速行駛時，駕駛員右耳處存在1300-2500Hz的齒輪敲擊噪音問題，通過優化拉索和變速箱殼體設計，改變其模態參數，基本消去駕駛員右耳處噪聲，試驗驗證效果良好。

手動變速箱；噪音；設計參數優化；試驗驗證

王從鶴

畢業于上海交通大學，研究生學歷，碩士學位；工程師；現任職泛亞汽車技術中心有限公司動力總成部項目實施總監，從事車輛動力及傳動系統工程開發及其技術管理工作。

1　前言

手動變速箱是由齒輪、軸、軸承、同步器、選換擋機構等組成，能夠實現變速箱擋位切換的復雜機械系統。由于手動變速箱工作環境惡劣，手動變速箱（MT）在整車中易于產生較明顯的噪音。對于其噪聲的形成，一般認為是由于齒輪在傳動過程中，齒輪彈性形變、制造或裝配誤差等引起嚙合沖擊而產生振動與聲輻射，通過軸、軸承傳至箱體，再通過空氣與拉索等傳遞至車內空間。手動變速器的振動噪聲根據其產生原理的不同可以分為五類：齒輪嘯叫、齒輪敲擊、同步器結合噪聲、軸承噪聲、以及變速箱選換擋球頭振動等。

由于變速箱敲擊噪音的產生機理涉及變速箱齒輪傳動系統動力學，影響因素多，分析方法并不夠完善，但從20世紀80年代開始，探索從未停止。馮振東等［1］采用了2自由度的非線性振動模型模擬怠速時變速器常嚙合齒輪輪齒間的敲擊；R.Singh等［2］建立了4自由度齒輪敲擊模型，研究離合器的設計參數對齒輪敲擊的影響進行了仿真分析；郭榮等［3］建立齒輪敲擊問題的4自由度模型，模型中考慮離合器扭轉剛度和輪齒彈性接觸力2個非線性因素。龔兵等［4］通過AmeSim軟件建立變速箱傳動系統敲擊模型并通過試驗驗證，為敲擊問題的認識提供了一種較為方便的方法。

變速箱敲擊問題的解決，主要包括：激勵源即發動機扭振控制，響應即離合器參數匹配、變速箱齒輪側隙、滾針軸承摩擦力矩和攪油損失，以及優化傳遞路徑等方法［6-7］。

本文結合某車型變速箱，在加速行駛時具有較明顯齒輪敲擊這一問題，研究變速箱敲擊產生及振動噪音傳播過程，分析拉索與變速箱殼體模態參數對振動噪音傳播的影響，確定齒輪敲擊噪音的解決方案。

2　變速箱敲擊產生及傳播

變速箱齒輪敲擊噪聲是發生在非承載齒輪對和換擋組件（如同步環、滑套等）上的一種沖擊現象。

2.1齒輪敲擊產生機理

圖1是一對非承載齒輪阻力矩與轉速關系簡化圖，拖拽力矩 Tdrag和齒輪轉動慣量 Jl的大小直接決定變速器內是否會產生齒輪敲擊噪聲［7-8］：

式中Jl—空套齒輪的慣量；θl—空套齒輪的角速度； Tdrag—作用在非承載齒輪上的拖拽力矩。

2.2齒輪敲擊噪音傳播過程及影響因素

噪音的傳播途徑主要分為空氣傳聲和固體傳聲兩類，其中固體傳聲為齒輪敲擊噪音的主要改善途徑。

在固體傳聲中，結構模態參數反映結構件的固有振動特性，特別是當結構的某階振動模態與空腔的某階聲學模態一致時，會引起極大的聲壓產生。對結構件的模態分析是噪聲預測與控制的重要環節。

結構件的模態參數是指系統的固有參數，如固有頻率、固有振型、模態阻尼、模態剛度和模態質量，這些參數都隱含在系統參數頻率響應函數中，頻響函數推導過程如下［9］：

由機械振動的基本理論可知：

則：

頻響函數可表示為：

當系統P點作用激振力時，結構L點的響應為：

由公式4）與公式5）可知，結構件各階固有頻率、模態質量、模態剛度、各階阻尼因子是影響系統振動噪音的主要因素。

變速箱齒輪敲擊噪音由發動機轉速波動，通過離合器，由于離合器隔振效果不佳或發動機轉速與扭矩波動較高，激起變速箱非承載齒輪對敲擊振動。齒輪敲擊振動通過軸、軸承傳遞至變速箱殼體，一方面通過空氣、透過車身縫隙傳遞至駕駛倉；另一方面殼體振動通過選換擋拉索等傳遞至駕駛倉。

綜上，控制變速箱輸入端轉速與扭矩波動、優化選換擋拉索與變速箱殼體模態參數，均是改善齒輪敲擊噪音的有效方法。

3　問題解決

根據上述分析，針對某車型加速行駛時，駕駛員右耳處存在1300-2500Hz的齒輪敲擊噪音問題，頻譜圖如圖5（A）所示。

圖5表示通過實車測試，不同方案下駕駛員右耳處噪音水平，縱坐標表示駕駛員右耳處噪音頻率（單位：Hz）、橫坐標表示測試時間（單位：s）、顏色深淺表示噪音振動強度（單位：Pa）。圖5（A）表示原始設計方案，圖5（B）表示斷開拉索，圖5（C）表示拉索系統優化后方案，圖5（D）表示在優化拉索基礎上進一步優化殼體方案。

通過測試離合器減振性能、優化選換擋拉索與變速箱殼體模態參數，研究問題變速箱齒輪敲擊問題的解決方案。

3.1離合器減振性能測試

如圖2所示，通過實車測試，在2檔WOT工況，考察傳動系主階次（2階）的轉速波動，以角加速度為評價依據，變速箱輸入軸轉速波動基本小于發動機輸出端轉速波動。而離合器作為發動機與變速箱之間的減振部件，上述測量數據表明離合器起到了良好的減振效果，這說明該車型齒輪敲擊噪音不是因為離合器隔振效果不佳引起。

3.2增加拉索配重塊

研究變速箱拉索對車內噪音的影響，首先斷開拉索，對車內敲擊噪音進行測試，結果如圖5（B）所示，噪音水平基本可以接受，說明噪音有很大一部分通過結構傳遞。根據公式4）與公式5）可知，改變拉索系統的模態質量、模態阻尼、模態剛度等，能有效降低結構件系統振動。

如圖3所示，在選擋拉索和換擋拉索上分別增加300g配重塊A和配重塊B，以提高減振性能。測試結果如圖5（C）所示，2100-2500Hz左右的噪音基本消除，敲擊噪音有一定改善。

3.3優化變速箱殼體

為進一步控制噪音，根據公式4）與公式5）可知，優化拉索支架附近殼體模態參數也能有效減少振動傳遞。

通過在變速箱殼體拉索支架附近增加加強筋，以提升殼體模態頻率，避開1500Hz、2050Hz左右振動頻率。

如圖4所示，圖4（A）、（B）分別表示變速箱殼體拉索支架附近加加強筋前后6階模態振型，改進前頻率1510Hz、改進后頻率1559Hz，頻率提升3.2%；圖4（C）、（D）分別表示變速箱殼體拉索支架附近加加強筋前后11階模態振型，改進前頻率2078Hz、改進后頻率2136Hz，頻率提升2.8%。圖4中顏色表示振動輻度，最大值為1，最小值為0。通過在殼體拉索支架附近加加強筋使得殼體模態頻率在1500Hz、、2050Hz附近有一定提升，避開激勵頻率；同時從殼體6階與11階振型圖上可以看出沿著拉索移動方向變形幅度有一定改善。

如圖5（D）所示，在變速箱殼體拉索支架附近加加強筋后方案，駕駛員右耳處1300-1500Hz、2050Hz頻率被明顯消除，駕駛體驗良好。

4　總結

1）闡述變速箱敲擊問題產生的機理及振動傳遞過程，確定通過控制變速箱輸入端轉速波動、優化選換擋拉索與變速箱殼體模態參數等解決方案。

2）從噪音傳遞路徑出發，通過對變速箱拉索系統和變速箱殼體的優化，消除駕駛員右耳處1300Hz-2500Hz頻率的噪音，解決工程問題。

［1］馮振東，史廣奎，鄔惠樂，等.東風牌EQ2D140柴油車變速器怠速噪聲的研究［J］.汽車工程，1989 （2）：59-66.

［2］Singh R，Xie H，Comparin R J.Analysis of automotive neutral gear rattle［J］.Journal of Sound and Vibration，1989，131 （2）：177—196.

［3］郭榮，裘剡，章桐等。手動變速箱空擋齒輪敲擊問題的影響因素分析［J］。江蘇大學學報（自然科學版），2013，34（4）：378-383.

［4］龔兵，潘甫生，常輝等. 手動變速箱rattle噪聲的仿真和試驗［J］，計算機輔助工程 ，2013 22（5）：37-42.

［5］田雄，李宏成，呂先鋒等. 基于傳遞路徑試驗分析的變速器敲擊噪聲優化［J］振動工程學報，2010，23（6）：642-648.

［6］T. C. Kim，R. Singh. Dynamic Interactions between Loaded and Unloaded Gear Pairs under Rattle Conditions［C］.Proceedings of 2001 SAE Noise and Vibration Conference： 1934-1943.

［7］Darrell Robinette，Randall S，Beikmann，Paul Piorkowski.Michael Powell.Characterizing the Onset of Manual Transmission Gear Rattle Part I：Experimental Results［J］SAE，2009-01-2063.

［8］蔡龍生，楚俊楠，陳俐. 基于包絡解調的手動變速器齒輪敲擊實驗研究［J］.傳動技術，2013，27（2）：38-45，48.

［9］靳曉雄，張立軍著.汽車噪聲的預測與控制.上海：同濟大學出版社，2004：27.

專家推薦

陳贛：

該論文闡述了解決手動變速箱齒輪敲擊噪聲的一次嘗試。從論文提供的數據看，采取了論文中所提到的措施后，敲擊噪聲有所減小，獲得了降低乘員艙噪聲的效果。

論文中闡述的方法不是僅僅針對手動變速箱噪聲問題，而是一種普遍可采用的方法。作者把這個方法用于變速箱噪聲問題的解決，取得了效果。但在理論上沒有突破。

作者在論文中提供了一些數據以支撐其觀點。“拉索接頭做軟、增加質量阻尼”過于定性，雖然給出了所增加質量塊的數據，但沒有給出該質量塊質量值和位置時如何確定的。提高變速箱殼體的模態頻率，論文中列出了原設計殼體的模態頻率值和改進后的殼體的模態頻率值，對讀者理解作者采用的方法能有所幫助。

Manual Transmission Gear Rattle Solution

WANG Cong-he，ZHANG Guo-geng，LIU Peng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

Manual transmission gear rattle noise is a common gearbox noise. Based on the mechanism of gear rattle，the process of noise propagation，and the effects of the Modal Parameters on vibration noise are studied. There is a 1300-2500Hz noise problem existing at the driver's right ear，when vehicle at the acceleration states. By changing the modal parameters of the cable system and gearbox housing，the noise at the driver's right ear is eliminated，which is also demonstrated with the experimental test.

Manual Transmission； Rattle Noise； Design Parameters Optimization； Validation

2016-02-20

TB533+.2

A

1005-2550（2016）04-0019-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.003