汽車變速箱嘯叫聲解決方法

王曉蘭

（上海汽車變速器有限公司，上海 201800）

汽車變速箱嘯叫聲解決方法

王曉蘭

（上海汽車變速器有限公司，上海 201800）

隨著國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)的日漸成熟，手動(dòng)變速箱也正向著高速、高扭矩方向迅速發(fā)展，客戶需求也已經(jīng)從滿足基本功能提升到注重各種性能。而NVH作為變速箱的一個(gè)重要性能指標(biāo)，要求也越來(lái)越嚴(yán)格。NVH主要涉及噪聲、振動(dòng)以及音質(zhì)問(wèn)題，常見(jiàn)的包括嘯叫聲（whine）、敲擊聲（rattle）、喀啷聲（clunk）。主要針對(duì)變速箱的嘯叫聲（whine），從實(shí)際角度出發(fā)討論解決變速箱嘯叫聲的方法。

嘯叫；重合度；傳遞誤差；微觀修形；模態(tài)

0 引言

變速箱是汽車除發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)之外的主要噪聲源，而引起變速箱噪聲的主要原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，其中齒輪嚙合噪聲是一個(gè)主要方面。齒輪嚙合噪聲的形成從理論上都已經(jīng)有了比較成熟的闡明，普遍認(rèn)為，齒輪嚙合過(guò)程中的不平穩(wěn)傳動(dòng)以及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)受力變形是引起振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲的兩大主要原因。本文針對(duì)市場(chǎng)上普遍抱怨較多的手動(dòng)變速箱三檔滑行嘯叫，以實(shí)際數(shù)據(jù)和應(yīng)用為依據(jù)，從宏觀參數(shù)、微觀修形及殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化三方面對(duì)變速箱的不平穩(wěn)傳動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)受力變形進(jìn)行補(bǔ)償，從而在變速箱設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，解決嘯叫問(wèn)題。

在手動(dòng)變速箱開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最常見(jiàn)抱怨的是二、三檔滑行過(guò)程中的嘯叫聲，轉(zhuǎn)速區(qū)間集中在1500±500轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為，丟油門車輛減速時(shí)，轉(zhuǎn)速下降的過(guò)程中發(fā)出瞬間“嗚、嗚”的突變聲或者持續(xù)一段時(shí)間的“嗚”聲，這種聲音與口哨聲類似，頻率通常比較高，而發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音以低頻和中頻為主，故這種聲音不易掩蓋，所以會(huì)引起人耳的感官不適。又由于發(fā)生嘯叫的轉(zhuǎn)速及檔位是常用的工況，所以，市場(chǎng)上的對(duì)嘯叫的抱怨主要集在此種工況。控制嘯叫的主要途徑如圖1所示：主要通過(guò)兩種方式，即：控制激勵(lì)源和控制傳播路徑。本文主要針對(duì)激勵(lì)源的控制進(jìn)行研究，以某手動(dòng)變速箱的三檔為例，介紹降低傳遞誤差和提高殼體模態(tài)的方法，即：宏觀參數(shù)優(yōu)化，微觀修形和殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其中，宏觀參數(shù)優(yōu)化和微觀修形都是為了降低傳遞誤差，而殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是為了提高殼體模態(tài)。通過(guò)大量的實(shí)際案例，數(shù)據(jù)累計(jì)，確認(rèn)優(yōu)化方案的有效性以及優(yōu)化參數(shù)的目標(biāo)值，用以在設(shè)計(jì)初期就能很好的解決嘯叫問(wèn)題。

圖1 控制嘯叫主要途徑

1 齒輪宏觀參數(shù)設(shè)計(jì)

眾所周知，重合系數(shù)是影響齒輪平穩(wěn)傳遞的主要因素。重合系數(shù)是指在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)參與嚙合的齒的個(gè)數(shù)。重合系數(shù)越大，說(shuō)明參與嚙合的齒數(shù)量越多，每個(gè)齒所受的載荷就越小，傳動(dòng)就越平穩(wěn)，傳遞誤差(TE)越小。反之，傳遞越不平穩(wěn)，容易出現(xiàn)齒輪副的嚙合偏離理論輪廓，傳遞誤差(TE)越大（實(shí)際的嚙合轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差即為傳遞誤差TE）。傳遞誤差是產(chǎn)生變速箱嘯叫的激勵(lì)源，所以，通過(guò)增加重合系數(shù)來(lái)減小傳遞誤差是我們調(diào)整宏觀參數(shù)時(shí)的主要目的。對(duì)于目前手動(dòng)變速箱常用的斜齒輪而言，重合系數(shù)為端面重合系數(shù)和法向重合系數(shù)之和，稱為總重合系數(shù)。通常在中心距確定的情況下，齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)等宏觀參數(shù)對(duì)端面重合系數(shù)的影響較大，故設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，在保證齒輪承載能力的基礎(chǔ)上，盡可能的采用多齒數(shù)小模數(shù)的方式來(lái)提高端面重合系數(shù)。同時(shí)，在保證分度圓齒厚的基礎(chǔ)上可以適當(dāng)提高齒頂高系數(shù)來(lái)增加端面重合系數(shù)。而法向重合系數(shù)在模數(shù)及螺旋角確定的情況下，隨著齒寬的增加而增加，設(shè)計(jì)者需綜合考慮結(jié)構(gòu)和制造精度，適當(dāng)增加齒寬來(lái)提高法向重合系數(shù)。

下面以某乘用車的手動(dòng)變速箱為例，針對(duì)市場(chǎng)上抱怨較多的三檔滑行嘯叫，介紹重合系數(shù)優(yōu)化前后的變速箱嘯叫情況的變化。

該優(yōu)化方案主要調(diào)整了齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系，調(diào)整后的重合系數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后三檔齒輪重合度參數(shù)

優(yōu)化齒輪副重合度后，齒輪間波動(dòng)減小。從圖2的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)重合系數(shù)增加后，分貝值明顯下降，聲音鼓包明顯減少。

圖2 齒輪重合度優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲

這種優(yōu)化方式在改善變速箱嘯叫問(wèn)題的有效率幾乎為百分之百。通過(guò)大量實(shí)例驗(yàn)證及數(shù)據(jù)積累，我們初步總結(jié)了乘用車手動(dòng)變速箱重合度的設(shè)計(jì)要求。即端面重合系數(shù)大于1.5，法向重合系數(shù)大于1.25。

2 齒輪微觀修形

然而，很多時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，理論設(shè)計(jì)的參數(shù)已經(jīng)很理想了，可在實(shí)際使用的過(guò)程中還是出現(xiàn)了嘯叫的情況。這是由于變速箱工作時(shí)，載荷變幅較寬，又因制造和安裝誤差、軸系的彎曲扭轉(zhuǎn)變形、輪齒的接觸變形、軸承間隙等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致變速箱齒輪幅沿齒寬方向的齒形偏離理論輪廓，造成十分嚴(yán)重的載荷集中現(xiàn)象，從而加劇噪音，且降低壽命。另一方面，隨著車速的提高，齒輪所傳遞的功率相應(yīng)增大，齒面的轉(zhuǎn)速、耐磨性也隨之提高，因此運(yùn)轉(zhuǎn)中不可避免地會(huì)增加熱效應(yīng)，使得齒輪副的嚙合偏離理論輪廓，從而增加傳遞誤差。這時(shí)，需要對(duì)齒輪進(jìn)行微觀修形，補(bǔ)償實(shí)際嚙合與理論嚙合之間的偏離，從而減小傳遞誤差才能有效減低變速箱的嘯叫。

齒輪修形可分為修緣和修鼓。受載齒輪在單對(duì)齒嚙合時(shí)，輪齒會(huì)因彈性變形而產(chǎn)生基節(jié)誤差，即主動(dòng)輪基節(jié)變小，從動(dòng)輪基節(jié)增大。另外，齒輪還存在制造上的基節(jié)誤差。當(dāng)嚙合存在正基節(jié)誤差時(shí)，主動(dòng)輪上即將嚙合齒的根部會(huì)提前進(jìn)入嚙合，與從動(dòng)輪上對(duì)應(yīng)的輪齒頂部發(fā)生撞擊。當(dāng)嚙合存在負(fù)基節(jié)誤差時(shí)，嚙合齒會(huì)在齒的中部互相撞擊。為了消除這種干涉，我們通常將嚙合齒面上發(fā)生干涉的齒頂（或齒根）進(jìn)行適量去除，這就是齒輪修緣。由于齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的變形和其制造、安裝上的誤差，齒輪嚙合時(shí)載荷沿齒面接觸線的分布是不均勻的。如果齒輪軸不平行或其他原因造成軸兩邊的彎曲變形不等時(shí)，則會(huì)發(fā)生齒端局部接觸現(xiàn)象。即使兩齒接觸是在全齒寬上，輪齒也會(huì)因彈性變形造成齒面上各處的變形量不等而出現(xiàn)載荷集中的現(xiàn)象。為避免上述局部接觸和應(yīng)力集中現(xiàn)象，減輕嚙合沖擊，在齒的兩端也應(yīng)適當(dāng)去除，這就是齒向修形，也叫修鼓。經(jīng)修鼓的齒輪嚙合接觸會(huì)先發(fā)生在靠近齒寬中間的部分，然后再過(guò)渡到全齒寬上。這樣有利于使齒面上的載荷呈均布狀態(tài)，并能提高齒輪的疲勞壽命，降低其磨損和噪音。在實(shí)際中工作中，先用MASTA軟件模擬計(jì)算，對(duì)齒頂進(jìn)行修緣，即從漸開(kāi)線終止點(diǎn)（EAP）開(kāi)始到齒頂?shù)菇且韵碌膮^(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性修緣。同時(shí)，在齒向方向上通過(guò)對(duì)齒向鼓形量（Cβ）及齒向角度誤差（fHβ）進(jìn)行修整，以傳遞誤差小于1及嚙合區(qū)域在齒面的中心位置為設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖3所示。

圖3 微觀修行前后齒輪接觸應(yīng)力分布

運(yùn)用MASTA軟件模擬齒輪修形，我們發(fā)現(xiàn)，軟件對(duì)齒頂修緣的計(jì)算基本是一次確定的，但在齒向修形上卻并不能一步修到位，這是因?yàn)檐浖?jì)算時(shí)僅針對(duì)變速箱單體而沒(méi)有考慮整車車況，故需對(duì)變速箱安裝在整車上進(jìn)行接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)，依據(jù)齒輪的接觸區(qū)域，進(jìn)一步調(diào)整微觀修形方案。如圖4所示，齒向方向的接觸區(qū)域偏下，這時(shí)候需要調(diào)整齒向角度偏差fHβ，而調(diào)整的具體數(shù)值根據(jù)接觸斑點(diǎn)齒輪的實(shí)際角度偏差數(shù)值（齒形齒向報(bào)告測(cè)量所得）。

圖4 齒輪接觸斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

調(diào)整前后的測(cè)試曲線如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)fHβ調(diào)整后，在2250n/rpm～1750n/rpm區(qū)間內(nèi)，嘯叫的聲音“鼓包”明顯減少，分貝值降低5～10分貝。多數(shù)情況下，齒向修形這個(gè)過(guò)程不是一蹴而就的，一般需反復(fù)多次后才能最終解決問(wèn)題。

圖5 微觀修型前后車內(nèi)噪聲

3 殼體結(jié)構(gòu)

普遍認(rèn)為，變速箱的振動(dòng)由于齒輪嚙合傳動(dòng)引起并經(jīng)過(guò)軸及軸承傳至變速箱殼體，從而使得殼體振動(dòng)一起輻射噪聲。這是因?yàn)辇X輪嚙合傳動(dòng)引起的振動(dòng)頻率接近殼體本身的固有頻率，從而產(chǎn)生共振，放大了嘯叫聲。故從殼體的形狀、壁厚、窗口的位置和總體布局等方向著手，改變固有頻率，避開(kāi)齒輪嚙合傳動(dòng)引起的振動(dòng)頻率，均可抑制殼體的共振，從而改善噪聲。在實(shí)際運(yùn)用中，由于受內(nèi)外部空間布置的限制，殼體的優(yōu)化空間是相對(duì)有限的，通過(guò)優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)來(lái)改善變速箱嘯叫的有效率較優(yōu)化宏觀參數(shù)及微觀修形低的多。本文初步介紹殼體外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)變速箱嘯叫的影響。以縱置后驅(qū)手動(dòng)變速箱為例，該變速箱殼體結(jié)構(gòu)為常見(jiàn)的三段式結(jié)構(gòu)，由離合器殼體，軸承箱和后殼體三部分組成，在實(shí)際工作中，殼體的優(yōu)化主要以運(yùn)用CAE軟件對(duì)殼體進(jìn)行模態(tài)分析，作為指導(dǎo)方向，進(jìn)而對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，模態(tài)分析是一種處理過(guò)程，是根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特性，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型，這些動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的所有結(jié)構(gòu)中，都存在固有頻率和模態(tài)振型。本質(zhì)上，這些特征依賴于確定結(jié)構(gòu)固有頻率和模態(tài)振型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布。作為一名設(shè)計(jì)工程師，需要了解這些頻率，并且知道當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)有外力傳遞到殼體上時(shí)，它們將怎樣影響殼體的響應(yīng)。如果這些頻率相當(dāng)接近殼體的固有頻率，那么將引起共振，從而產(chǎn)生嘯叫。所以，當(dāng)殼體受到激勵(lì)時(shí)，明白殼體模態(tài)振型和殼體將怎樣振動(dòng)有助于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 變速箱殼體優(yōu)化

圖6所示，由于整車車身通道及與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接布置都已限定，并且變形箱內(nèi)部的軸系布置和外部操縱機(jī)構(gòu)布置也已無(wú)法更改，故只能在有限的區(qū)域內(nèi)盡量對(duì)殼體進(jìn)行加強(qiáng)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制定優(yōu)化的基本思路：1）在軸承孔周圍增加加強(qiáng)筋；2）對(duì)現(xiàn)有的加強(qiáng)筋進(jìn)行延伸、加高及加寬；3）軸承箱的外部合理的增加加強(qiáng)筋，這是由于大部分的傳動(dòng)齒輪都在軸承箱的區(qū)域內(nèi)，故軸承箱引起振動(dòng)傳播概率較高。通過(guò)加強(qiáng)筋的優(yōu)化，對(duì)模態(tài)進(jìn)行理論計(jì)算對(duì)比，如圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后，在1～2500Hz范圍內(nèi)的模態(tài)由原來(lái)的27階減少為21階，也就意味著減少了引起共振的階次。降低了共振的概率。

圖7 殼體優(yōu)化前后模態(tài)階次

優(yōu)化前后的殼體在整車上的嘯叫測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示， 從測(cè)試報(bào)告可以看出，殼體優(yōu)化前后分貝值降低了5～10分貝左右，嘯叫“鼓包”明顯減少。故該項(xiàng)優(yōu)化措施對(duì)改善嘯叫是有效的，由于實(shí)際測(cè)成功案例較少，所以對(duì)于優(yōu)化殼體來(lái)改善變速箱嘯叫問(wèn)題還需要積累大量的試驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

圖8 殼體優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲

宏觀參數(shù)優(yōu)化；常用措施：調(diào)整齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒寬。目的是提高齒輪的重合度，從而改善變速箱的嘯叫問(wèn)題，有效率為百分之百。

微觀修形；常用措施：齒頂修緣、齒向修鼓。目的是改善齒輪嚙合區(qū)域，減小傳遞誤差，從而改善變速箱的嘯叫問(wèn)題，有效率為百分之百。

殼體優(yōu)化；常用措施：軸承孔周圍加強(qiáng)支持、軸承箱外部增加加強(qiáng)筋。目的是提高殼體剛度，降低模態(tài)階次，減少引起引起共振的概率，從而改善變速箱的嘯叫問(wèn)題，需繼續(xù)深入研究，積累大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)。

[1] 劉文選,張堅(jiān).汽車變速器齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理及影響因素[J].農(nóng)機(jī)化研究.1999(2):88-89.

[2] 高維山.汽車設(shè)計(jì)叢書(shū)—變速箱[M].人民交通出版社,1991.

[3] 何韞茹.動(dòng)力傳動(dòng)齒輪振動(dòng)噪聲研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1994,(增刊):87-91.

Improvement of the gear whine of the manual transmission for car

WANG Xiao-lan

TH132.4

A

1009-0134(2017)04-0110-04

2016-12-19

王曉蘭（1982 -），女，上海人，中級(jí)工程師，本科，主要從事汽車變速器總成集成方面的研究。