LMSTest.Lab 在變速器NVH 改進中的應用

洪文波，康海波，張志杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

隨著汽車工業的迅速發展以及產品零部件開發水平的快速提升,汽車廠商和客戶對汽車整車性能的要求變得越來越高,而NVH 性能作為整車性能的重要指標之一,備受汽車廠商和客戶的密切關注，且排放和輕量化的需求，發動機的升功率和扭矩也越來越高，這導致變速箱的NVH 問題成為一個重要的問題；本文以某款MPV 車型為例，介紹運用LMSTest.Lab 軟件對變速器NVH 問題進行測試分析，并根據測試結果，查明故障的激勵源及傳遞路徑，結合經驗積累并提出可行的優化方案。

2 變速器NVH 問題分類

變速器噪聲主要為：嘯叫聲、敲擊噪聲、同步器結合噪聲及軸承噪聲。嘯叫聲是為帶負荷齒輪的彈性形變產生的嚙合噪聲，其特征為窄帶譜，頻率隨轉速變化而變化，主要通過優化齒輪的公差，齒輪加工質量和齒形來解決，優化齒輪和軸系受載變形、軸承裝配精度、提高殼體模態，減小傳遞路徑等也是解決變速器嘯叫的重要途徑；敲擊噪聲原理為主軸的轉速波動和空轉齒輪之間的沖擊，其特征為寬頻帶噪聲，出現在低轉速區間，其解決方案為主要為改變激勵、控制齒輪間隙、齒輪布置和齒數、慣性矩、齒輪材料、油粘度來解決；同步器結合噪聲是被選擇齒輪結合時的刮擦聲，其特征為同步器功能的損壞，同步器結合前部件間存在速度差，白噪聲頻譜；軸承噪聲是指運行時軸承產生的噪聲，特別軸承損壞時。本文主要講解某款縱置MPV 在開發過程中遇到的變速器NVH 問題及運用LMSTest.lab 解決和驗證過程。

3 測試方法及軟件介紹

3.1 主觀評價概述

該款MPV 車型在主觀評價中發現主要五個問題：（1）加速和滑行存在明顯嘯叫聲；（2）加速工況低速時有類似變速器敲擊聲；（3）滑行工況有類似變速器敲擊噠噠聲；（4）怠速工況有類似敲擊聲；（5）一擋升二擋有沖擊現象。針對上述主觀問題，對變速器進行NVH 測試，結合測試數據排查故障原因。

3.2 測試軟管介紹

本次測試使用LMS SCADAS Mobile 便攜的數采系統，利用LMS Test.Lab 模塊進行測試、數據分析。LMS Test.Lab軟件是專門聲學和振動測量而設計的，現已成為眾多汽車公司的主要測試軟件。

3.3 測試方法介紹

變速器齒輪敲擊測試需要測試變速器近場噪音、駕駛員右耳噪音、變速器殼體的軸承座外殼體表面的振動、變速器各擋位空載齒輪角加速度等。

測試車輛、工況：某款縱置車輛，二、三、四、五擋（WOT，POT，COAST）三種工況：

表1 測試工況

扭振傳感器傳感器布置：

表2 扭振傳感器布置

（1）振動傳感器布置：振動傳感器布置在變速器輸出軸、中間軸的軸承座對應的殼體外表面。

（2）噪音傳感器布置：變速器近場300mm 處、駕駛員右耳處。

4 變速器噪聲測試及分析

該款MPV 車型在主觀評價中發現主要五個問題：（1）加速和滑行存在明顯嘯叫聲；（2）加速工況低速時有類似變速器敲擊聲；（3）滑行工況有類似變速器敲擊噠噠聲；（4）怠速工況有類似敲擊聲；（5）一擋升二擋有沖擊現象。針對上述主觀評價問題，對變速器進行NVH 測試進行定量分析，結合測試數據排查故障原因。

4.1 變速器嘯叫噪聲分析

按照變速器結構簡圖及齒數，計算出變速器各擋嚙合階次匯總見表3。

表3 變速器齒數及嚙合階次

針對評價問題，對二、三、四、五擋采集數據，分別測試緩油門、全油門、帶擋滑行四種工況。利用LMS test lab進行數據處理，發現在2 擋和常嚙合齒輪副有超標，見圖1（紅色表示總和，綠色表示檔位階次，藍色表示常嚙合階次），3 擋和五檔的齒輪副嘯叫均在目標以下，見圖3。

圖1 二擋緩油門工況

圖2 二擋全油門瀑布圖

圖3 三、四、五擋緩油門工況

對比瀑布圖，在常規轉速確實存在15.77 和24 階次線，但在1070HZ 左右有明顯的共振帶，是影響齒輪嚙合階次噪聲的的原因。進一步排查，在輸出軸后殼體及懸置支撐梁布置振動傳感器，讀取數據結果見圖3，共振帶不明顯，說明超出目標值得噪聲不是由變速器激勵起來的。

圖4 變速器后殼體振動圖

結論：該變速器常嚙合齒輪副和2 擋齒輪副引起的嘯叫階次有超過目標值要求的轉速段；3 擋和5 擋的齒輪副的嘯叫聲在目標值以下；但在瀑布圖上看，影響階次噪聲的原因為車內存在1070HZ 的共振，通過排查非變速器產生，因此變速器嘯叫滿足NVH 要求。

4.2 變速器敲擊噪聲分析

敲擊機理：自松齒輪敲擊驅動齒輪，敲擊發生時，齒輪慣性力矩大于齒輪阻力矩，一般出現在輕載或空載齒輪上，是由于發動機轉矩波動和齒輪側間隙的存在，在齒輪間出現重復沖擊而產生的廣譜噪聲現象。下面列舉了該車型滑行工況下2、3、4、5 擋數據，測試數據如下：

圖5 滑行工況瀑布圖

從上圖5 看出，2、3、4 擋均存在不同程度敲擊，其中在在4 擋1700rpm～2440rpm 區間，較明顯。

變速箱產生齒輪敲擊噪聲的原因可能有兩方面：一是發動機的扭振波動較大，激發傳動系統的扭振，導致出現齒輪敲擊聲；另一種情況是由于齒輪布置設計存在問題，導致被動齒輪拖曳力矩設計不合理，致使出現齒輪敲擊聲，故進行扭振分析：

圖6 全油門下2 擋角加速度圖

圖6 表示全油門加速工況變速箱飛輪端的轉速波動值平穩，滿足目標要求，但變速箱輸入軸的角加速度波動高于目標值（600rad/s2），且在各擋位是存在放大現象，這說明離合器的剛度需要進一步減小，阻尼進一步增大；從圖7 中看出，傳動軸角加速度傳入變速器的角加速度均有所衰減，因此滑行工況的敲擊噪聲不是由傳動軸引起。齒輪副角速度差對比，通常不產生敲擊的空套齒輪副要求（經驗值）。

圖7 滑行工況傳動軸與變速器角加速度

表4 變速器不產生敲擊角速度值

圖8 三擋時各擋空套齒輪的轉速波動圖

以3 擋為例，讀取2、5、R 角速度差分別為94、62、120，其中2 擋和5 擋超出經驗值，存在敲擊的風險，按照此思路，分別測出各個檔位的加速、滑行工況的角加速度值，匯總如下：

表5 各擋空套齒輪角加速度值

從表5 可知3 擋、2 擋和倒擋的角加速度波動都較大，5擋較好，從齒輪角度分析，2 和3 擋是產生敲擊的主要來源；5 擋波動小，慣量小，不易產生敲擊。

結論：該變速器敲擊主要原因為變速器輸入軸的角加速度超過目標值；2、3 擋齒輪副慣量大是產生敲擊的主要來源。需要從離合器，齒輪慣量及軸承孔殼體剛度、精度來優化。

4.3 變速器殼體輻射噪聲分析

變速器噪聲有兩條傳遞渠道，一種是輻射傳遞，一種是結構傳遞。齒輪敲擊和嘯叫噪音通過變速器殼體表面進行輻射傳遞，一般很難通過對車身的堵孔、增加吸音材料等減小1000Hz～8000Hz 頻率范圍內的噪音。齒輪敲擊噪音主要通過變速器的支撐軸承傳遞到變速器殼體上，再以振動傳遞形式經過選換擋拉絲、懸置、排氣吊掛等傳遞到車身進一步傳遞到駕駛室。加強變速器殼體軸承座動剛度、減小變速器殼體的大平面等，可以減小齒輪敲擊的輻射傳遞、結構傳遞。

現對該款MPV 殼體振動數據分析，以2 擋全油門為例，測試結果如下：現檢查變速器后殼體輸出軸處（與懸置近）選擇以2 擋全油門為例，駕駛室右耳瀑布圖可看出在多處共振頻率帶，對比在殼體上振動傳感器信號發現在1500HZ 與變速器后殼體右側振動頻率接近。

圖9 主駕噪聲圖

圖10 中間軸軸承殼體頻譜圖

結論：中間軸軸承殼體上的共振頻率與車內噪聲的共振頻率沒有相關性，中間軸的振動沒有影響車內噪聲。

圖11 輸出軸軸承殼體頻譜圖

結論：輸出軸軸承殼體上的共振頻率與車內噪聲的共振頻率沒有相關性，輸出軸的振動沒有影響車內噪聲。

圖12 變速器后殼體右側振動圖

圖13 變速器左前下側振動圖

結論：結合圖11，圖12 和圖13 主駕的1500HZ，2470HZ，2880HZ 為殼體產生共振，動剛度不足，需要優化殼體結構。

5 總結

經過對測試數據分析，最終確認該變速器嘯叫滿足要求，該變速器常嚙合齒輪副和2 擋齒輪副引起的嘯叫階次有超過目標值要求的轉速段；3 擋和5 擋的齒輪副的嘯叫聲在目標值以下，但在瀑布圖上看，影響階次噪聲的原因為車內存在1070HZ 的共振，通過排查非變速器產生；該變速器存在齒輪敲擊，敲擊主要原因為變速器輸入軸的角加速度超過目標值，2、3 擋齒輪副慣量大是產生敲擊的主要來源；該變速器殼體剛度不足，存在多處共振異響。

6 結束語

在變速器NVH 問題改進中，充分運用LMSTest.Lab 軟件，對整車車內噪聲，傳動系扭振及變速器振動進行測試及分析，準確查明故障原因，并結合經驗給出詳細解決方案，從而快速準確的解決變速器NVH 問題，避免了變速器NVH改進過程中的盲目性，并縮短了改進周期。