汽車傳動系NVH研究方法及趨勢論述

王 東，陳達亮，梁博洋

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

發動機與驅動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系。傳動系一般由離合器、變速器、傳動軸、驅動橋等部件組成，但根據不同的驅動形式，包括前置前驅(FF)、前置后驅(FR)、后置后驅(RR)、中置后驅(MR)、全時四驅(AWD)、分時四驅(Part-Time 4WD)，傳動系的組成會有所差異。為了滿足汽車的實際駕駛需求，傳動系還具有變速、變扭、中斷動力、倒駛、變角度傳動、不打滑轉向等功能。對電動車而言，由于電機具有零轉速即可達到最大扭矩、輸出轉速高、可以反轉等優點，因此電動車傳動系比較簡單，由減速器和半軸組成。

在車輛運行過程中，傳動系直接承受來自動力源的激勵，會產生多種NVH問題。在售后反饋中，與傳動系NVH相關的投訴一直占有較大比例。因此，在新車型開發過程中，傳動系NVH控制是必不可少的環節。在汽車NVH開發團隊中，通常會設置專門的科室，負責傳動系NVH控制技術研發及相關問題解決。

1 傳動系常見NVH問題

常見的傳動系NVH問題頻率主要分布在2 Hz～6 000 Hz范圍內。根據前置后驅車輛傳動系的結構，傳動系主要的NVH問題及產生位置如圖1所示。

圖1 前置后驅汽車傳動系主要NVH問題及位置

圖1中，傳動系扭轉共振現象、離合器鎖閉過程中顫振現象、齒輪敲擊噪聲現象、變速器嘯叫噪聲現象以及傳動系沖擊現象，是各種類型的傳動系中出現頻率最高的NVH問題。

傳動系扭轉共振現象是國內外專家、學者研究最多的問題之一。傳動系是由具有慣量、剛度和阻尼特性的部件組成的系統，因此存在固有頻率和振型，當外部激振力的頻率與傳動系固有頻率相同時，系統便會發生共振，其響應幅值遠超過激振力幅值，共振響應通過結構路徑傳遞至車身，引起車內鈑金件共振，從而導致車內舒適性的問題。

離合器顫振現象出現在離合器結合過程中。這種振動現象按產生的機理分為兩種：一種為離合器摩擦材料的摩擦因數負梯度導致的自激振動[1]；另一種為壓盤不平度、變速器輸入軸不對中等形位偏差引起的強迫振動[2]。

齒輪敲擊主要發生在非承載的空套齒輪副之間?？仗X輪在旋轉方向上沒有約束且與主動齒輪存在間隙，發動機轉速波動經過離合器傳遞至變速器主動齒輪，主動齒輪帶動空套齒輪轉動，產生角加速度變化，從而導致空套齒輪慣性力矩不斷變化。根據敲擊閥值理論[3]，當空套齒輪的慣性力矩大于拖拽力矩時，空套齒輪將與主動齒輪失去接觸，當二者再次接觸時，即發生敲擊現象。強烈的齒輪敲擊將產生寬頻帶噪聲[4]。

變速器嘯叫現象一般出現在承載齒輪副上，在車輛加速和滑行工況中均有可能產生齒輪嘯叫問題。輪齒交替嚙合產生的時變剛度，加工、裝配產生的誤差以及輪齒嚙入嚙出產生的沖擊，是引起齒輪嘯叫問題的主要激勵源。嘯叫噪聲具有明確的階次特征，齒輪嚙合產生的動態激勵經過齒輪軸和軸承傳遞至變速器殼體，殼體輻射噪聲進一步通過空氣和結構路徑傳遞至車內。

傳動系沖擊現象一般發生于急加速或急減速工況。由于傳動系統包含的齒輪副、花鍵副、萬向節等部件內部不可避免地存在間隙，當系統的扭矩或負載突然發生變化甚至反向時，傳動部件之間發生碰撞，往往表現為一聲短暫、響亮的金屬撞擊“咔噠”聲以及伴有較為明顯的振動現象。

針對傳動系常見NVH問題，可以按照“源—路徑—響應”的模式進行治理，一方面可以控制激勵源，比如降低激振力或改變激勵特性；二方面可以通過路徑進行隔離，針對空氣路徑可以優化聲學包，針對結構路徑可以提升懸置隔振率、優化安裝點動剛度等；三方面可以改變響應系統，既可以通過結構優化從而改變響應系統特性，也可以通過主動控制的方式，在響應系統內加入抵消原有響應的成分，從而達到消除駕乘人員不適感的目的。任何一個NVH問題的解決，僅通過“源—路徑—響應”中的一個方面進行優化，往往難以取得滿意的效果，只有綜合考慮三者，才能找到最佳的解決方案。

2 傳動系NVH研究方法

近年來，國內外對傳動系NVH問題的研究更為深入和具體，從最初的分析機理、基于較簡化模型進行現象仿真，逐步朝著建立考慮更多影響因素且研究對象更為細致、更加符合工程實際的動力學模型，提出傳動系NVH問題新的影響因素，從主動控制和傳動系部件結構設計的角度去解決某些NVH問題等方向發展。同時，傳動系NVH問題的測試手段也得到快速發展，尤其是在傳動系NVH專用測試臺架的建設與應用方面；基于臺架的測試和分析規范逐步完善，為解決傳動系NVH問題提供了強有力的工具[5]。

目前，對汽車傳動系NVH問題進行研究大致遵循如下路線：

(1) 首先，對問題進行主觀評價，初步確認問題工況及表現。然后有針對性地設計實驗方案，包括測試方式、信號種類、測試工況等。有時為了獲取更為全面的測試數據，除了測試傳動系相關信息外，還需要測試傳遞路徑的特性。

(2) 通過圖紙、數模、逆向建模等方式，獲取傳動系動力學參數，對于傳動系所包含的阻尼參數往往難以獲取，通常需要根據經驗值或經驗公式進行初步設定。

(3) 傳動系是多自由度、非線性振動系統，針對尚未研究過的傳動系，目前難以做到首次即正確的程度，將仿真結果與測試數據進行對比，驗證模型的有效性，這一過程在建模中最關鍵也最費時，可以采用多工況依次驗證的方式，確保驗證結果的可靠性。

(4) 對通過仿真分析得到的優化方案，需要進行工程化評估，綜合考慮優化效果、成本變動情況以及對其他性能的影響等因素，制造樣件并搭載實車進行驗證。如果該現象得到改善或消除，則該方案可以保留并付諸實施。

2.1 傳動系NVH試驗

傳動系NVH試驗根據測試場地(如圖2所示)分為：實車道路試驗、實車轉轂試驗和傳動系臺架試驗等。實車轉轂試驗的優勢在于轉轂半消聲室內沒有風噪的影響，且鼓面相對平整，路面不平帶來的激勵可以消除掉。傳動系臺架試驗對研究NVH問題更具針對性，臺架具有邊界條件簡單、易于調整工況、干擾因素少、問題更易凸顯等優勢，適合用于研究產生機理及指導仿真分析。

圖2 傳動系NVH測試場地

試驗研究中NVH問題的特征測試、驗證優化或解決方案都會涉及到對該現象的評價。評價分為客觀和主觀評價，主、客觀評價需要相互結合。

客觀評價通過分析試驗數據，用量化的指標，如振動的加速度值、噪聲的聲壓級等指標去衡量振動或噪聲現象的強弱，可以選用絕對值或相對值的方式進行評價。為了更好地控制傳動系NVH性能，通常將指標分為整車級、系統級、部件級和零部件級，形成控制指標體系，有時關聯系統的目標也需要一并列出。

主觀評價則是通過用戶或測試人員對車內外振動、噪聲的直觀感受，感覺聲音是安靜還是嘈雜、悅耳還是刺耳，感覺振動大小和舒適性[6]。

2.2 傳動系NVH仿真

通過仿真手段研究傳動系NVH問題，首先需要對傳動系進行抽象，形成力學模型，然后根據相關動力學原理得到對應的數學模型，最后在數學模型中加入合適的算法就可以得到仿真模型[7]。傳動系NVH問題根據表現形式可以分為穩態問題、瞬態問題和過渡工況問題，按作用方式可以分為振動問題和噪聲問題，而噪聲也是由振動引起的，因此對噪聲問題通常也是從振動角度進行研究，按照振動位移的方式又可以分為扭轉振動、彎曲振動、縱向振動以及它們之間相互耦合振動。根據具體問題，通過建立系統動力學、多體動力學、結構動力學系統及混合模型對傳動系NVH問題進行研究。

通過集總參數法建立系統動力學模型是傳動系NVH問題分析過程中最常用到的方法。將傳動系簡化為只有慣量沒有剛度的慣量盤、只有剛度沒有慣量的弾性軸以及粘性阻尼，形成由“慣量—剛度—阻尼”組成的離散系統。系統動力學模型的優點在于所需建模參數少、模型易于擴展、建模效率高，缺點是由于在建模過程中對傳動系做了簡化處理，因此系統動力學模型主要用于對傳動系扭轉共振、齒輪敲擊、離合器顫振等問題進行定性分析。多體動力學模型由于建模思路清晰，模型精度相對較高，在工程中應用也很廣泛。常見的傳動系NVH問題都可以通過建立多體動力學模型進行研究，根據問題表現的頻率范圍，進一步又可以建立多剛體、多柔體或剛柔耦合模型。利用系統動力學建立的是離散質量模型，而利用結構動力學建立的則是連續質量模型，更貼合傳動系實際狀態。工程上主要是通過有限元法建立結構動力學模型，適合對仿真精度要求高的情況。傳動系工作過程中，多種形式的振動噪聲問題往往是依次出現的，且問題之間可能存在相互影響，對于這類問題，可以建立系統、結構動力學混合模型，盡可能地模擬傳動系的真實工作狀態，既可以提升仿真精度又可以提高解決問題的效率。

3 傳動系NVH發展趨勢

3.1 混動車型傳動系NVH

混動系統需要在多種模式下進行切換，尤其是混聯車型，涉及的模式切換最為復雜。在模式切換瞬間，系統所傳遞的扭矩會發生突變，從而會導致沖擊問題出現。沖擊類問題往往難以完全消除，只能通過優化降到可以接受的程度。對混動傳動系進行優化分析，僅分析其NVH性能往往不能滿足工程實際需求，需要將NVH性能與駕駛性、動力性、經濟性一并考慮進來。同時考慮多種性能屬性，對傳動系NVH工程師來說具有一定挑戰性。

3.2 純電車型傳動系NVH

一體化、高速化、多檔化的電驅總成是發展趨勢。一體化的電驅總成，將是電磁、機械、齒輪嚙合激勵耦合作用的系統，需要在分析工具中同時考慮以上激勵。高轉速意味著齒輪的線速度更高，給分析齒輪嚙合狀態帶來了新的挑戰，同時，對測試臺架也提出了更高的要求。從提升NVH性能的角度對電控系統進行優化，建立NVH與標定的關系，對提升電驅總成NVH性能具有重要意義。

3.3 NVH控制技術軟件化

人工智能技術在醫療、交通、工業制造等多個領域展示出了良好的應用前景。汽車企業在向數字化、網絡化、智能化轉型，將人工智能技術與傳動系NVH控制技術相融合，從而實現傳動系NVH問題的自動識別。目前已有多家主機廠及汽車技術研發機構在積極推動這項技術的研發與應用。

4 結語

(1) 在傳動系工作過程中，可能會產生多種NVH問題，可以按照“源—路徑—響應”思路對其產生機理進行分析，找出主要影響因素。同時考慮性能平衡、成本等因素，從激勵源、傳遞路徑和響應系統三個方面進行優化，找到問題的解決方案。

(2) 對傳動系NVH問題的研究可以分為試驗和仿真兩個方面。通過試驗既可以得到問題的特征并分析產生機理，又可以驗證解決方案的效果。仿真主要是為了分析系統的固有特性、強迫振動響應以及關鍵參數靈敏度。采用仿真分析與試驗研究相結合的方式，可以更深入地揭示傳動系NVH問題的產生機理，為解決問題提供更多方案。

(3) 混合動力傳動系工作模式多樣，解決模式切換過程中帶來的沖擊問題具有挑戰性。電機高速化的發展趨勢，給純電動汽車傳動系NVH測試和仿真分析都帶來了挑戰。人工智能技術在多個領域都起到了良好的作用，推進人工智能技術與現有技術融合，將技術轉化為軟件，也是傳動系NVH控制技術的發展趨勢之一。