變速器嘯叫噪聲消減研究

寇仁杰， 肖林蔚， 李丹， 王文浩

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，合肥230601)

0 引 言

變速器齒輪嘯叫是與承載齒輪嚙合頻率相關的單頻噪聲，具有階次特征，頻率隨轉速變化而變化，極易被人耳識別，影響客戶駕乘感受。

針對變速器齒輪嘯叫噪聲的消減，國內學者進行了大量研究。郭棟等[1]分析了變速器嘯叫產生、傳播、輻射的過程，以接觸斑點為依據，通過優化齒輪修形降低了嘯叫噪聲。湯海川等[2]研究了不同修形參數對齒輪嚙合狀態的影響。張靖等[3]研究了軸承預緊對汽車變速器嘯叫噪聲的影響。欒文博[4]從源、路徑方面研究了嘯叫噪聲的改善方法。

本文以某SUV二擋滑行嘯叫為例，針對變速器本體，分別從齒輪微觀修形優化、齒輪宏觀參數優化、殼體剛度提升三方面研究嘯叫噪聲的消減。

1 變速器嘯叫產生機理

齒輪嚙合剛度的時變性、齒輪傳遞誤差、嚙入嚙出沖擊及傳動系統輸入力矩和負載力矩的變化均會產生動態嚙合力[5]。齒輪動態嚙合力激勵齒輪本體產生振動，振動通過軸、軸承傳遞到殼體，一部分經殼體表面輻射通過空氣路徑傳遞，一部分通過與殼體連接的懸置、換擋拉絲等結構路徑傳遞。

2 試驗方法

2.1 整車試驗

整車嘯叫通常出現在特定工況，所以對嘯叫問題的分析優化首先要確定嘯叫噪聲出現的擋位、階次、轉速區間、發動機輸出轉矩，作為后續優化驗證的輸入，這些都需要通過整車試驗獲取。

在駕駛員右耳處布置麥克風，將CAN信號中發動機轉速、輸出轉矩、擋位、變速器油溫信號集成到數采系統與噪聲信號同步采集，駕駛車輛復現嘯叫工況，采集3組一致性較好數據。通過噪聲回放濾波鎖定嘯叫階次，從CAN信號中直接讀取對應發動機轉速區間和轉矩。

經過測試分析，本文研究的嘯叫問題為二擋21階，滑行工況下轉速為4000～1200 r/min，發動機轉矩為-20 N·m。

2.2 齒輪嚙合斑點試驗

齒輪嚙合斑點試驗是用來檢驗齒輪修形設計的專項試驗，試驗方法是在齒輪輪齒表面噴涂印痕涂料，在規定載荷和轉速下，通過涂層在齒面法向作用力和齒面相對滑動綜合作用下的磨損或轉移痕跡來顯示嚙合接觸區域。

變速器齒輪接觸斑點試驗在可加載試驗臺上進行，臺架加載轉速和轉矩可控。對待測齒輪要求徹底去除樣件上油脂，避免油脂影響印痕涂料附著。涂料要求均勻覆蓋齒面，不可過厚堆積在齒面上，涂料涂完后靜置2 h以上干透。

本文齒輪嚙合斑點試驗選用DYKEN STEEL BLUE牌耐油涂料，輸入端施加-20 N·m轉矩模擬滑行工況齒輪受載，輸入轉速為9 r/min，加載時間為20 min。

圖1 變速器齒輪嚙合斑點試驗

2.3 臺架噪聲試驗

臺架噪聲試驗在半消聲室開展，用電動機驅動變速器，相比于整車試驗，具有高效、受整車更換變速器拆裝一致性影響因素少等優點。

本文臺架噪聲試驗如圖2所示，按QC/T 568-2019 汽車機械式變速器總成技術條件及臺架試驗方法中噪聲試驗測點布置規定，在變速器左、右、上方1 m處布置麥克風，臺架模擬整車滑行工況，轉速以3π rad/s2減速度從4000 r/min降速至1200 r/min，輸入端施加-20 N·m轉矩。

圖2 變速器臺架噪聲試驗

3 變速器嘯叫消減方法研究

3.1 優化微觀修形

每種齒輪工作載荷變化幅度、轉速、油溫及輪齒幾何特征、綜合剛度不相同，所以不存在適用于所有齒輪的修形方法和計算公式。確定自己產品的修形的最有效途徑是進行大量的試驗。通過微觀齒廓修形，采用齒頂齒根修緣減小嚙入嚙出沖擊和時變剛度激勵，利用鼓形量來彌補由箱體與軸系變形引起的嚙合偏斜[6]。

首先確認原狀態齒輪嚙合斑點，發現該對齒輪副在問題工況下接觸面積小，齒向偏向一端，主動齒接觸偏向齒頂，從動齒接觸偏向齒根。基于試驗結果，結合仿真調整螺旋角和壓力角修形參數，使接觸區域居中，減小齒向和齒廓鼓形量使接觸面積接近全齒面。出于減少零部件變動考慮，僅調整從動齒修形參數，優化前后修形參數見表1。根據仿真，優化修形參數后傳遞誤差降低59%，最大接觸應力降低32%。

通過臺架試驗驗證，齒輪嚙合斑點接觸面積接近全齒面（見圖3），齒輪階次噪聲1500～2300 r/min無改善，其他轉速區間平均降低3～5dB（A），見圖4。

表1 從動齒輪微觀修形優化

圖3 微觀修形前后嚙合斑點對比

圖4 微觀修形前后臺架噪聲對比

3.2 優化宏觀參數

齒輪宏觀參數有齒數、模數、壓力角、螺旋角、齒寬、變位系數等，通過調整這些參數提高齒輪重合度可以改善齒輪傳動的連續性和平穩性，減小齒輪嚙合噪聲。本文通過減小模數、增加齒數、增大螺旋角等方法提高重合度。優化前后參數見表2。

宏觀參數優化后重新設計微觀修形，使齒輪嚙合斑點接觸面積接近全齒面。對比臺架噪聲，宏觀參數優化齒輪階次噪聲在1200～4000 r/min全轉速段平均降低5～10 dB（A），見圖5。

表2 齒輪宏觀參數優化

3.3 提升殼體局部剛度

殼體在軸承動載荷作用下產生振動，向外輻射噪聲，如果恰好激發了殼體模態，會產生共振問題。殼體結構和振動特性的優化有助于降低變速器噪聲，在殼體結構設計中，應使軸承座有足夠的剛度，以減少系統的振動，在大平面及薄弱部位加筋，增加剛度減少共振。

本文嘯叫問題頻段主要在400～1400 Hz，殼體模態分析結果顯示在軸承座附近分布模態，頻段在700～1000 Hz，加密殼體軸承座附近筋（見圖6），提升殼體軸承座剛度，驗證其對嘯叫噪聲的改善。

同一臺樣機更換軸承座筋加密殼體，對比齒輪階次噪聲，結果見圖7，1500～1800 r/min附近無改善，其他轉速段平均降低5 dB（A）。

圖5 宏觀參數優化前后臺架噪聲對比

圖6 軸承座筋加密

圖7 殼體筋加密前后臺架噪聲對比

3.4 優化方案驗證小結

對3種優化方案最終分別在實車上進行了驗證評價，僅宏觀參數優化方案能徹底解決該嘯叫問題，可接受；微觀修形和殼體軸承座附近加筋方案有一定改善，但仍不可接受，特別在1500～2000 r/min常用轉速段無改善。

4 結 論

針對本研究案例，試驗表明，調整宏觀參數提高重合度對變速器嘯叫噪聲改善幅度最大，臺架試驗1 m平均聲壓級降幅達5～10 dB（A）；微觀修形方法改善幅度最小，局部轉速段無改善，有改善轉速段1 m平均聲壓級降幅僅3～5 dB（A）；加密殼體軸承座附近筋提升剛度，對抑制嘯叫噪聲有明顯作用，特別在殼體模態分布區域頻段內，臺架試驗1 m平均聲壓級降幅達5 dB（A）。

本文排除傳遞路徑、車輛一致性等因素對變速器嘯叫優化方案在車上評估產生的干擾，對變速器本體各種優化方案進行臺架試驗，給出相對量化的對比結果，對變速器嘯叫優化方案的制定有一定參考價值。

對于嘯叫比較突出的問題，僅從變速器角度考慮，如果齒輪嚙合斑點沒有特別嚴重的偏載，通過微觀修形優化效果有限，臺架上改善小于5 dB（A）車上很難體現出來，建議優化宏觀參數。對于殼體共振為主要貢獻的個別轉速段嘯叫問題，可考慮優化殼體。