基于全路徑優(yōu)化的變速器齒輪嘯叫噪音改善方法研究

欒文博

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基于全路徑優(yōu)化的變速器齒輪嘯叫噪音改善方法研究

欒文博

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

文章針對(duì)裝備雙離合變速器的某緊湊轎車(chē)在研發(fā)階段遇到的三擋滑行嘯叫問(wèn)題，采用從源頭到傳遞的全路徑優(yōu)化視角，探討了改善嘯叫噪音的方法，實(shí)車(chē)噪音實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：從源頭角度，通過(guò)合理設(shè)計(jì)齒輪副微觀修形參數(shù)，降低傳遞誤差，可以有效地改善車(chē)內(nèi)嘯叫表現(xiàn)；從傳遞路徑角度，通過(guò)合理匹配換擋拉索的質(zhì)量塊，增強(qiáng)防火墻內(nèi)隔聲墊的隔聲性能，可以在一定程度上分別改善600-1100Hz較高頻段和420-490Hz較低頻段的車(chē)內(nèi)嘯叫表現(xiàn)。

變速器齒輪嘯叫；傳遞誤差；傳遞路徑；全路徑優(yōu)化；改善方法

引言

隨著汽車(chē)的普及，人們對(duì)駕駛和乘坐汽車(chē)的舒適性要求也越來(lái)越高。從第三方平臺(tái)售后抱怨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以清晰看出，中國(guó)區(qū)域的客戶對(duì)汽車(chē)的振動(dòng)噪聲表現(xiàn)尤為關(guān)注。因此提升整車(chē)產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲表現(xiàn)，目前是整車(chē)廠商工作的核心之一。嘯叫噪音作為變速器本體的主要振動(dòng)噪聲問(wèn)題之一，是每一個(gè)整車(chē)產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不能回避的工作。

王澤貴等根據(jù)齒輪振動(dòng)傳遞路徑理論，在汽車(chē)變速器下線臺(tái)架上選擇了兩個(gè)振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量該位置處的變速器振動(dòng)，并把各擋位齒輪嚙合階次的下線臺(tái)架的振動(dòng)、整車(chē)上變速器的振動(dòng)、噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，確定了臺(tái)架上的最佳測(cè)量位置和嘯叫振幅臨界值[1]。張國(guó)耕等從傳遞誤差角度對(duì)變速器齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，改進(jìn)齒輪修形參數(shù)設(shè)計(jì)，降低齒輪傳遞誤差幅值，并采用六西格瑪設(shè)計(jì)方法，考慮制造公差影響，對(duì)變速器齒輪修形參數(shù)進(jìn)行了穩(wěn)健性評(píng)估[2]。施全等以客觀評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算結(jié)果為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為輸出，引入徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了變速器聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型，利用各網(wǎng)絡(luò)層間連接權(quán)值，計(jì)算變速器聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的影響權(quán)重，發(fā)現(xiàn)變速器嘯叫主要受SIL-4、總響度和隨時(shí)間響度三個(gè)客觀量的影響[3]。臧孟炎等研究了各微觀修形參數(shù)對(duì)3/4擋主減速齒輪傳遞誤差的影響，以傳遞誤差加權(quán)平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用正交試驗(yàn)優(yōu)化方法，得到了傳遞誤差最小結(jié)果的微觀修形參數(shù)組合，大幅降低了3/4擋主減速齒輪嘯叫噪音[4]。

針對(duì)變速器嘯叫噪音的研究，大多聚焦于降低源頭激勵(lì)來(lái)有效改善嘯叫，也是工程中優(yōu)先使用的方法。但是嘯叫噪音傳遞到車(chē)內(nèi)被乘員感知，路徑的控制和優(yōu)化同樣重要。本文則采用從源頭到傳遞的全路徑優(yōu)化視角，以裝備某雙離合變速器的某緊湊轎車(chē)三擋滑行嘯叫為例，來(lái)探討對(duì)嘯叫噪音的改善。

1 齒輪嘯叫源頭識(shí)別與競(jìng)品分析

齒輪嘯叫的車(chē)內(nèi)表現(xiàn)則是一個(gè)或多個(gè)固定階次的窄帶中高頻口哨聲，較易被客戶感知并抱怨。平行軸齒輪副嘯叫噪音的主階次由齒輪副主動(dòng)齒數(shù)及所在軸的轉(zhuǎn)頻和參考軸轉(zhuǎn)頻決定[5]，如下所示。

式（1）中，f為主動(dòng)齒所在軸的轉(zhuǎn)頻，f為參考軸的轉(zhuǎn)頻，z為主動(dòng)齒齒數(shù)。

此外，某些嘯叫還體現(xiàn)為主階次的高階諧波，以及由于調(diào)制現(xiàn)象存在而產(chǎn)生與主階次共存的調(diào)制階次，這些會(huì)使車(chē)內(nèi)表現(xiàn)更為抱怨。

圖1 三擋滑行工況嘯叫車(chē)內(nèi)噪音階次分析

在裝備雙離合變速器的某緊湊轎車(chē)的研發(fā)過(guò)程中，就發(fā)現(xiàn)了在三擋滑行工況下較為嚴(yán)重的嘯叫噪音問(wèn)題。根據(jù)該雙離合變速器的結(jié)構(gòu)，三擋工作時(shí)，主要有三擋齒輪副、偶數(shù)輸出軸主減速齒輪副傳遞動(dòng)力，五擋齒輪副和奇數(shù)輸出軸主減速齒輪副空轉(zhuǎn)。通過(guò)采集實(shí)車(chē)對(duì)應(yīng)工況下的駕駛員右耳處聲音并進(jìn)行時(shí)頻及階次分析，如圖1所示。

從圖1中可以看出，車(chē)內(nèi)嘯叫噪音主要體現(xiàn)在21階，與該雙離合變速器三擋齒輪副的嚙合階次相同，因此此嘯叫問(wèn)題的源頭為三擋齒輪副。抱怨區(qū)域只要集中在1200~1600rpm（頻率段為420~560Hz）和2200~2800rpm（頻率段為770~ 980Hz）左右，并以后者最為明顯。

通過(guò)對(duì)中國(guó)區(qū)域市場(chǎng)上競(jìng)品車(chē)型三擋滑行車(chē)內(nèi)嘯叫噪音的采集與分析，并且綜合對(duì)成本、耐久性能的考慮，定義了某緊湊轎車(chē)的三擋嘯叫改善目標(biāo)為車(chē)內(nèi)階次噪音不超過(guò)39dB(A)，如圖2所示。

圖2 競(jìng)品車(chē)內(nèi)三擋嘯叫階次噪音最大值

2 基于全路徑的嘯叫噪音產(chǎn)生機(jī)理

嘯叫噪音傳遞到車(chē)內(nèi)，主要的原因有兩點(diǎn)，一是源頭激勵(lì)大，二是傳遞路徑的敏感度較高。

2.1 源頭

變速器齒輪嘯叫噪音產(chǎn)生的源頭在于齒輪嚙合，由于輪齒的嚙入和嚙出，其接觸受力部位從齒根到齒頂再到齒根周期交替變化，使得輪齒間的嚙合剛度也呈動(dòng)態(tài)周期變化，加上齒輪副嚙合錯(cuò)位，導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)嚙合激勵(lì)的出現(xiàn)。在工程上，可以采用傳遞誤差來(lái)衡量齒輪動(dòng)態(tài)嚙合激勵(lì)的大小。

傳遞誤差是指在基圓半徑上主動(dòng)齒與被動(dòng)齒上某測(cè)量點(diǎn)間的旋轉(zhuǎn)位移差，它隨嚙合位置變化而周期性變化[6]，如式（2）所示。

式（2）中，1和2分別為主動(dòng)齒和被動(dòng)齒上某測(cè)量點(diǎn)的角位移，1和2分別為主動(dòng)齒和被動(dòng)齒的基圓半徑。

影響傳遞誤差主要有兩大因素，一是齒輪本身的設(shè)計(jì)參數(shù)，二是嚙合錯(cuò)位。齒輪本身的設(shè)計(jì)參數(shù)，既包括了齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角、重合度、齒寬等宏觀參數(shù)，又包括了齒形鼓形量、齒形角度偏差、齒向鼓形量、齒向角度偏差、齒頂修緣等微觀參數(shù)。嚙合錯(cuò)位是由于齒輪軸、軸承、變速器殼體變形，以及軸承游隙等系統(tǒng)綜合原因而產(chǎn)生的，主要體現(xiàn)在齒輪副嚙合面為點(diǎn)接觸或接觸線較短，產(chǎn)生偏載，使得傳動(dòng)不平穩(wěn)[7,8]。

齒輪副動(dòng)態(tài)嚙合激勵(lì)，通過(guò)軸、軸承傳遞到變速器殼體上，如果激發(fā)了殼體的整體或局部振型模態(tài)，則內(nèi)部嚙合激勵(lì)將會(huì)被放大向外傳遞。

2.2 傳遞路徑

變速器齒輪嘯叫噪音傳遞到車(chē)內(nèi)，主要有兩大路徑，即結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑和空氣聲傳遞路徑。

在結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑上，也有兩條主要路徑。一是通過(guò)動(dòng)力總成支架及懸置傳遞到車(chē)身進(jìn)入車(chē)內(nèi)，二是通過(guò)換擋拉索直接傳遞至車(chē)內(nèi)。工程經(jīng)驗(yàn)上，一般400~600Hz的嘯叫主要通過(guò)懸置傳遞，而更高頻率，如600Hz以上，甚至上千Hz的嘯叫，則主要通過(guò)換擋拉索傳遞。實(shí)際工作中，可以通過(guò)斷開(kāi)換擋拉索與變速器的連接，來(lái)快速地排查這一路徑。

整車(chē)聲學(xué)包隔聲性能的好壞，直接影響了空氣聲傳遞。聲學(xué)包的開(kāi)發(fā)是整車(chē)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)中很重要的一環(huán)，考慮到成本因素，聲學(xué)包的目標(biāo)定義往往與車(chē)輛級(jí)別相匹配。工程上，通過(guò)基于能量的噪音衰減增益來(lái)最終衡量聲學(xué)包的性能。

3 基于全路徑優(yōu)化的改善嘯叫方法研究

下面基于從源頭到傳遞的全路徑優(yōu)化，來(lái)探討改善嘯叫的方法。通過(guò)仿真分析和實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)懸置支架頻率與本文研究的嘯叫頻率范圍并不吻合，且隔振率滿足要求，因此主要從源頭、換擋拉索和聲學(xué)包三個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1 降低源頭激勵(lì)的方法

如前所述，降低源頭激勵(lì)的方法，主要是降低傳遞誤差，改善齒輪傳動(dòng)的平順性。優(yōu)化宏觀參數(shù)和軸系設(shè)計(jì)是在變速器設(shè)計(jì)早期主要的考慮方向，如增加齒數(shù)、減小模數(shù)、增大螺旋角、增大齒寬，以增大齒輪副嚙合的重合度，增強(qiáng)軸系支撐剛度以減小齒輪嚙合時(shí)軸系變形，來(lái)降低傳遞誤差。但在變速器樣機(jī)裝車(chē)后，改變齒輪的宏觀參數(shù)會(huì)受到空間、成本等的限制，因此更多地會(huì)從微觀參數(shù)修形的角度，來(lái)降低齒輪副的傳遞誤差。

以本文研究的雙離合變速器三擋滑行嘯叫為例，基于商業(yè)軟件，綜合考慮齒輪宏觀參數(shù)、齒軸分布、軸承及殼體支撐剛度等，在優(yōu)化齒面載荷分布的同時(shí)，研究了齒輪微觀修形參數(shù)對(duì)三擋齒輪副傳遞誤差的影響。

圖3 三擋齒輪副滑行面?zhèn)鬟f誤差

針對(duì)三擋滑行工況，對(duì)比了改變齒形起鼓修型（齒形鼓形量C）的方案，由于三擋滑行工況也為低扭矩，因此最終選擇齒形鼓形量名義值從6μm降低到3μm的方案，從而達(dá)到降低滑行工況傳遞誤差的效果，如圖3所示。

這里給出齒形起鼓修形前后，實(shí)車(chē)測(cè)試的車(chē)內(nèi)三擋滑行嘯叫噪音對(duì)比，如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)齒輪副微觀修形可以有效地降低嘯叫的源頭激勵(lì)，改善車(chē)內(nèi)表現(xiàn)。

圖4 齒輪微觀修形前后的三擋滑行嘯叫對(duì)比

3.2 降低換擋拉索傳遞的敏感度

換擋拉索連接了變速器上的換擋機(jī)構(gòu)和車(chē)內(nèi)的換擋手柄，較容易將變速器的振動(dòng)傳遞到車(chē)內(nèi)。工程上多采用在拉索上增加質(zhì)量塊和優(yōu)化隔振墊來(lái)降低振動(dòng)的傳遞。質(zhì)量塊的具體位置和質(zhì)量需要經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)調(diào)教，如圖5所示。以本文為例，研究發(fā)現(xiàn)在靠近變速器一側(cè)增加質(zhì)量塊，可以有效降低600~1100Hz范圍內(nèi)傳遞到車(chē)內(nèi)的滑行嘯叫噪音，圖6為只改變換擋拉索前后車(chē)內(nèi)嘯叫噪音的對(duì)比情況。

圖5 換擋拉索及質(zhì)量塊

圖6 換擋拉索質(zhì)量塊對(duì)車(chē)內(nèi)嘯叫的改善

3.3 增強(qiáng)聲學(xué)包的隔聲性能

增強(qiáng)聲學(xué)包的隔聲性能有較多的解決方案，針對(duì)嘯叫，工程上多采用增強(qiáng)防火墻內(nèi)隔聲墊隔聲性能的方式，來(lái)降低前艙傳遞到車(chē)內(nèi)的嘯叫。本文案例中，更換防火墻內(nèi)隔聲墊的材料、增加材料密度后，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在前艙噪音相當(dāng)?shù)那闆r下，有效降低了420-490Hz頻段的車(chē)內(nèi)三擋滑行嘯叫噪音。圖7為只改變防火墻內(nèi)隔聲墊前后嘯叫噪音的對(duì)比情況。

圖7 防火墻內(nèi)隔聲墊加強(qiáng)對(duì)車(chē)內(nèi)嘯叫噪音的改善

疊加上述三擋齒輪副滑行面齒向起鼓修形、增加換擋拉索質(zhì)量塊、增強(qiáng)防火墻內(nèi)隔聲墊三種方案后，車(chē)內(nèi)三擋滑行嘯叫階次噪音相對(duì)與之前的抱怨?fàn)顟B(tài)對(duì)比，如圖8所示。車(chē)內(nèi)改善效果非常明顯，1200~1600rpm區(qū)間內(nèi)至少降低了約6dB(A)，2200~2800rpm區(qū)間至少降低了約10dB(A)，使得車(chē)內(nèi)階次噪音最大值低于39dB(A)，滿足了開(kāi)發(fā)目標(biāo)，并在同類車(chē)型中具備相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。

圖8 三個(gè)優(yōu)化方案疊加后改善效果

4 總結(jié)

文章以裝備雙離合變速器的某緊湊轎車(chē)在研發(fā)過(guò)程中遇到的三擋滑行嘯叫為研究對(duì)象，從全路徑優(yōu)化的視角，探討了改善三擋嘯叫的方法。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）從源頭角度，通過(guò)合理設(shè)計(jì)齒輪副微觀修形參數(shù)，降低傳遞誤差，可以有效地改善車(chē)內(nèi)嘯叫表現(xiàn)；

（2）從傳遞路徑角度，通過(guò)合理匹配換擋拉索的質(zhì)量塊，增強(qiáng)防火墻內(nèi)隔聲墊的隔聲性能，實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以在一定程度上分別改善600-1100Hz的較高頻段和420-490Hz的較低頻段的車(chē)內(nèi)嘯叫表現(xiàn)。

[1] 王澤貴,周易等.變速器嘯叫聲與下線臺(tái)架振動(dòng)的相關(guān)性試驗(yàn)研究.振動(dòng)與沖擊,2012,Vol.31(23):180-184.

[2] 張國(guó)耕,王全任等.基于傳遞誤差的齒輪修形參數(shù)穩(wěn)健性評(píng)估.上海汽車(chē),2017(9):14-20.

[3] 施全,柳培海等.變速器嘯叫聲品質(zhì)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)與權(quán)重分析.振動(dòng)與沖擊,2017,Vol.35(6):175-200.

[4] 臧孟炎,董豪哲等.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的變速器嘯叫特性優(yōu)化.汽車(chē)工程,2018,Vol.40(6):713-718.

[5] 欒文博,吳光強(qiáng)等.基于階次跟蹤的變速箱嘯叫噪聲分析.振動(dòng)與沖擊,2013,Vol.32(11):95-99.

[6]尹建民,張國(guó)耕等.變速器齒輪嘯叫前期研究.上海汽車(chē),2018(6):28- 34.

[7] 胡嘵嵐,周云山等.考慮金屬帶張緊力影響的CVT噪聲分析與優(yōu)化.汽車(chē)工程,2017,Vol.39(12):1431-1437.

[8] 彭國(guó)民,康黎云等.變速器齒輪傳遞誤差分析與優(yōu)化.汽車(chē)技術(shù), 2009(12):95-99.

Improvement method research of transmission gear whine noise based onfull path optimization

Luan Wenbo

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201 )

Aiming to the DCT 3rd gear coast whine noise of compact car under development phase, full path optimization which consider both source and transfer is used to discuss the improvement method of whine noise. Based on vehicle noise test, it is found that whine noise could be improved by designing micro-geometry parameters to reduce transmission error, adding mass on shift cable and enhancing the noise reduction of dash-inner could also improve whine on high(600-1100Hz) and low(420-490Hz)frequency range.

transmission gear whine noise;transmission error;transfer path;full path optimization;improvement method

U463

A

1671-7988(2019)08-181-04

U463

A

1671-7988(2019)08-181-04

欒文博，同濟(jì)大學(xué)車(chē)輛工程專業(yè)工學(xué)博士，目前就職于泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH開(kāi)發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.056