傳遞路徑分析在變速箱NVH開發(fā)中的應(yīng)用

麻建國 李清泉

摘 要：對汽車振動噪聲的成因及傳遞路徑原理進(jìn)行了闡述，并詳細(xì)介紹了某變速器NVH性能提升的全過程，通過測試和分析，得出了影響NVH性能的主要原因和傳遞路徑，通過采取一系列具體的優(yōu)化方案措施，制造工程樣件并進(jìn)行測試驗證，成功實現(xiàn)了NVH性能的顯著改善提升。為后續(xù)變速器及車型的自主研發(fā)NVH性能監(jiān)控積累了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：變速器;傳遞路徑分析;傳遞函數(shù)測試;噪聲性能提升

1 前言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對汽車的高速化、輕量化及行駛舒適性提出了更高的要求，對車內(nèi)噪聲更加關(guān)注，這也推動了NVH技術(shù)在整車上的發(fā)展。汽車噪聲、振動及因其而引發(fā)的車輛乘坐舒適性（Noise，Vibration&Harshness，簡稱NVH）是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的一個綜合性問題，也是用戶敏感度最高的性能指標(biāo)，越來越影響汽車產(chǎn)品的美譽度和市場占有率。因此，提高汽車噪聲控制水平已成為汽車制造企業(yè)之間新的競爭焦點和技術(shù)發(fā)展方向，實現(xiàn)車內(nèi)低噪聲性能成為汽車開發(fā)中重要任務(wù)之一。而汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞對汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱可靠性與輕便性、傳動的平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響，變速器振動常常會誘發(fā)與其相連接部件的振動，影響整車的工作性能，變速器載荷和速度的提高產(chǎn)生的齒輪噪聲，比其他聲源的噪聲更突出，從某種程度上說，降低了汽車變速器的振動，也就降低了變速器振動所引起的噪聲，從而可以大大提高汽車乘坐的舒適性[1，2]。

在汽車振動噪聲分析方法中，基于試驗測試的方法其數(shù)據(jù)、結(jié)果直觀，能夠反映研究對象的本質(zhì)特性，但在優(yōu)化控制上存在不足;而基于數(shù)值計算的方法通過計算仿真來模擬振動噪聲特性，便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改、預(yù)測和優(yōu)化，節(jié)約成本，但常因邊界條件設(shè)定不足及模型簡化處理而不能正確反映結(jié)構(gòu)的實際特征。傳遞路徑分析方法是一種將試驗數(shù)據(jù)與仿真計算相結(jié)合的分析汽車噪聲的方法，它通過分析主要噪聲的來源來進(jìn)行有的放矢的改進(jìn)設(shè)計，因而對汽車NVH問題更具針對性[3]。

2 振動噪聲傳遞路徑分析原理

復(fù)雜系統(tǒng)受多種振動噪聲源的激勵，每種激勵都可能通過不同的路徑，經(jīng)過衰減傳遞到多個響應(yīng)點。為有效降低振動噪聲，就需要對各種傳遞路徑進(jìn)行預(yù)測和分析，通常采用矢量疊加法，故傳遞路徑分析方法也稱矢量疊加法。

假設(shè)一輛汽車受到m個激勵力作用，每一激勵力都有x，y，z三個方向分量，每一激勵力分量都對應(yīng)著n個特定的傳遞路徑，那么這個激勵力分量和對應(yīng)的某個傳遞路徑就產(chǎn)生一個系統(tǒng)響應(yīng)分量，以車內(nèi)噪聲聲壓作為系統(tǒng)響應(yīng)，這個聲壓分量可以表示為：

其中，Hmnk是傳遞函數(shù)，F(xiàn)nk是激勵力的頻譜。

可見，傳遞路徑分析需要進(jìn)行實際激勵力和傳遞函數(shù)的測試分析。

2.1 載荷識別方法

在傳遞路徑方法中，激勵力的測量主要有直接測量法、懸置剛度測量法和逆矩陣法。

（1）直接測量法：直接測量法是直接在系統(tǒng)主動端布置力傳感器測量，從而獲取載荷參數(shù)，用這種方法測量的載荷結(jié)果直觀且可靠，但是實際操作過程中，力傳感器的安裝必須具備一定的空間及良好的支撐面，但這些測量條件往往在實際測試過程中很難達(dá)到。因此該方法在實際應(yīng)用中并不常用。

（2）懸置剛度測量法：對于傳遞路徑來說，激勵位置到接收位置是通過懸置相連的，實際力可通過懸置綜合剛度矩陣k（w）和懸置上下支點間位移差得到，即：

其中：fi（w）為傳遞路徑i上的實際力;K（w）為懸置剛度矩陣;Xt（w）為懸置下支點實際位移;Xi（w）為懸置上支點實際位移。

該方法需要測試懸置的動剛度，以獲得懸置軟墊動剛度曲線，同時需要測量運行工況下懸置主、被動端加速度信號。測試時，加速度傳感器安裝應(yīng)盡可能的靠近懸置點。

（3）逆矩陣法：該方法是通過工況數(shù)據(jù)下的輸出端響應(yīng)乘輸入和輸出端之間力-加速度的矩陣的廣義逆來識別輸入端載荷力。可以表示為：

其中，F(xiàn)為實際激勵力，H為力或加速度的傳遞函數(shù)，X為實際激勵力下的加速度[4，5]。

2.2 傳遞函數(shù)的測量

與激勵力相對應(yīng)的傳遞函數(shù)可以通過實驗得到，也可以通過數(shù)值或解析計算得到。

實驗直接測量傳遞函數(shù)的方法：一般通過斷開耦合系統(tǒng)，在耦合點用錘子或激振器來激勵力的作用點，然后測量車內(nèi)聲壓。結(jié)構(gòu)聲學(xué)傳遞函數(shù)如下：

其中，Hmnk是結(jié)構(gòu)聲學(xué)傳遞函數(shù)，fnk為傳遞路徑n上k方向上的激勵力。

另一種方法是利用線性系統(tǒng)的互逆性，在響應(yīng)點激勵，然后測量耦合點的響應(yīng)[6]。

3 變速器振動噪聲傳遞路徑分析應(yīng)用

以某變速箱為例，在早期開發(fā)中，該變速箱配置的Mule樣車出現(xiàn)變速器異響，經(jīng)過測試分析評估，確認(rèn)是變速器的擋位嘯叫噪聲，具體表現(xiàn)為，主觀評價5.5分，遠(yuǎn)離目標(biāo)，不可接受，需要優(yōu)化改進(jìn)。

一般的，嘯叫噪聲傳遞過程包含激勵源、傳遞路徑和接收者三個方面，因此應(yīng)當(dāng)從該三個方面入手，對問題進(jìn)行分解驗證，查找問題主要原因。

3.1 噪聲源影響分析

變速器作為嘯叫噪聲的源頭，需要對變速器的殼體剛度及結(jié)構(gòu)布置等進(jìn)行分析，判斷產(chǎn)生嘯叫的原因。

3.1.1 變速器殼體分析

如果變速器殼體的剛度不足，將會向外輻射嘯叫噪聲，或者殼體本身存在共振，也會加劇嘯叫噪聲，通過分析，殼體強度、軸承孔變形量、殼體模態(tài)、軸承動剛度等方面均滿足設(shè)計要求，因此判斷殼體不是嘯叫的主要原因。

3.1.2 結(jié)構(gòu)布置分析

如果軸系的結(jié)構(gòu)布置不合理，會導(dǎo)致齒輪所在軸變形量較大，齒輪嚙合的錯位量增大，從而產(chǎn)生嘯叫，經(jīng)進(jìn)行軸系受力分析和齒輪嚙合錯位量分析，發(fā)現(xiàn)三四擋擋位齒輪嚙合錯位量分別達(dá)到32.2μm、30.82μm，嚙合錯位量偏大，是產(chǎn)生嘯叫的原因之一。

3.1.3 齒輪系分析

齒輪宏觀參數(shù)不合理，重合度小，導(dǎo)致齒輪嚙合的傳遞誤差大，也會產(chǎn)生嘯叫噪聲，經(jīng)計算四檔齒輪重合度為2.5，低于要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 嘯叫噪聲的傳遞類型

在整車上進(jìn)行變速器的整體包裹試驗，如下圖2所示，包裹后進(jìn)行測試分析，查找變速器本身噪聲源及傳遞路徑影響，包裹前后測試結(jié)果如圖3。

3.3 嘯叫傳遞路徑驗證

經(jīng)過包裹試驗驗證，表明嘯叫噪聲主要通過結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)，因此主要從結(jié)構(gòu)的傳遞路徑上進(jìn)行排查，包括拉索、懸置等。

3.3.1 換擋拉索

換擋拉索支架的隔振不足，會將嘯叫噪聲通過拉索傳遞到車內(nèi)，因此可以脫開拉索，再次進(jìn)行測試，并對比脫開拉索前后車內(nèi)階次噪聲的差異，對比結(jié)果如圖4，通過對比表明拉索對車內(nèi)嘯叫噪聲的貢獻(xiàn)較大。

3.3.2 懸置系統(tǒng)

該變速器為三點懸置結(jié)構(gòu)，分別對三個懸置進(jìn)行脫開驗證。脫開前懸置和后懸置，車內(nèi)嘯叫階次噪聲對比沒有明顯變化，表明前懸置和后懸置不是車內(nèi)嘯叫噪聲的主要傳遞路徑。但是經(jīng)過懸置振動特征與車內(nèi)嘯叫噪聲特征的對比分析，發(fā)現(xiàn)左懸置的振動特征與車內(nèi)嘯叫噪聲的特征一致性較高，因此判斷左懸置是車內(nèi)嘯叫噪聲的主要傳遞路徑之一。

3.4 優(yōu)化方案確定及驗證

通過CAE仿真分析和整車傳遞路徑的測試分析，可以判斷嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因是變速器本身的激勵大以及整車的結(jié)構(gòu)傳遞路徑對嘯叫的衰減性能不足，需要對聲源和傳遞路徑進(jìn)行同時優(yōu)化，經(jīng)過分析驗證優(yōu)化為：

（1）提供傳動軸撓度，對中間一軸，二軸進(jìn)行加粗2mm;

（2）對2至6擋齒輪進(jìn)行磨齒;

（3）調(diào)整主動四擋齒輪參數(shù)，提高重合度;

（4）換擋拉索支架增肌厚度5mm的隔振軟墊;

（5）對擋位齒輪壓力角方向和螺旋角方向調(diào)整修形要求;

（6）同時整車左懸置被動側(cè)采用大懸置結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化后主觀評價嘯叫優(yōu)化明顯，客觀數(shù)據(jù)分析車內(nèi)噪聲頻譜圖，32階的噪聲能量明顯降低，32階的階次噪聲水平也有明顯降低，主客觀評價結(jié)構(gòu)驗證了新方案優(yōu)化嘯叫噪聲可行，實現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。

4 總結(jié)

本文闡述了振動噪聲傳遞路徑分析原理，并介紹了某品牌乘用車NVH性能提升方案優(yōu)化的全過程從變速器噪聲傳遞路徑系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)了嘯叫噪聲的主要傳遞路徑，通過優(yōu)化設(shè)計，最后采取一些列的改進(jìn)措施成功實現(xiàn)了NVH性能的提升，效果顯著。在解決該變速器面臨的NVH問題過程中，梳理了變速器NVH嘯叫噪聲的分析思路，為后續(xù)變速器及車型的自主研發(fā)NVH性能監(jiān)控積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

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[3]岳葉，曾憲棣.基于簡化的TPA方法解決車內(nèi)噪聲問題的分析[J].北京汽車，2019（06）.

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[5]彭潔，任增杰.傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應(yīng)用[M].汽車技術(shù)，2015（04）.

[6]Krishna R D，F(xiàn)rederick J Z，Shan U H.，Application of noise path target setting using the technique of transfer path analysis[C].

作者簡介：麻建國（1986-），男，河南商丘人，研究生，變速箱系統(tǒng)工程師，中級工程師，研究方向：變速箱系統(tǒng)。