變速箱齒輪嘯叫的系統控制方法研究

張立雙

摘 要：本文從源頭和路徑的系統控制角度對齒輪嘯叫進行研究，探討了變速箱本體噪聲控制，與傳遞路徑的減振隔聲相結合的方式來解決嘯叫問題。針對某一案例，采用齒輪修形降低變速箱傳遞誤差、殼體加筋強化提升模態等措施確保源頭滿足指標;傳遞路徑測試分析，識別出拉索為主要路徑，通過拉索加質量塊減振的方法解決嘯叫，同時研究了不同質量塊位置對嘯叫減振效果的差異。說明從系統角度來解決齒輪嘯叫問題更加經濟高效。

關鍵詞：齒輪嘯叫 系統控制 傳遞誤差 傳遞路徑 拉索

The system control method research of transmission gear whine

Zhang Lishuang

Abstract：The pater studies the gear whine from the view of system control， discusses how to optimize the whine problem from gear excitation and case radiation to transmission path including mount， half shaft， shift cable and acoustic package. At a practical case， measures such as reducing gear transmission error of gear and improving case mode are taken to ensure the source to reach the target; Test and identify the main transmission path as the cable， and solve the whine by adding mass damper to the cable. At the same time， the vibration reduction effect of different mass positions on whine is studied. It is more economical and efficient to solve the gear whine from the perspective of system.

Key words：gear whine; system control; transmission error; transfer path; shift cable

1 引言

齒輪嘯叫是齒輪嚙合過程中產生的一種噪音，與相互嚙合受載的齒輪直接相關。齒輪嘯叫是一個窄帶譜的純音，對人耳的沖擊更加明顯。因此要提升產品競爭力，必須降低齒輪嘯叫。

齒輪嘯叫是一個系統的問題，之前的很多研究都通過降低齒輪傳遞誤差來降低嘯叫[1，2]，隨著汽車電動化產生的背景噪音降低以及消費者對噪音要求的提升，僅僅依靠齒輪源頭的優化，并不能經濟高效的解決嘯叫。因此，對齒輪嘯叫噪聲從源頭和傳遞路徑進行系統的控制就變得越來越重要。本文從源頭和路徑兩方面相結合，系統介紹齒輪嘯叫開發，并以某主減速齒輪加速嘯叫為例，來探討具體齒輪嘯叫改善方法。

2 齒輪嘯叫的產生及系統控制

對齒輪嘯叫進行系統的控制，需要了解齒輪嘯叫產生及傳遞過程，包括源頭——路徑——響應三個方面。如圖1所示。以變速箱作為一個噪音源來看，齒輪和軸系為激勵源頭，殼體產生輻射噪音和傳遞振動。變速箱安裝到整車后，主要通過結構和空氣兩個路徑向車內傳遞。其中，結構路徑主要是振動激勵車身產生響應，共包括，一懸置，主要為變速箱懸置和后懸置，通過懸置安裝點向車內傳遞，二左右半軸，主要通過半軸、Knuckle到懸掛tower傳遞，三換擋拉索的振動傳遞;空氣路徑主要指前圍的吸隔聲，一般對應不同級別的車型，對應不同的隔聲量等級。

3 變速箱本體嘯叫噪音控制

對于變速箱本體噪聲，主要包括齒輪設計——宏觀/微觀參數、軸系布置、殼體模態，以及齒輪嘯叫輻射噪聲仿真、變速箱NVH臺架驗證等幾方面。

齒輪的激勵主要包括剛度激勵、位移激勵和嚙入嚙出激勵。具體需要控制的性能參數為，重合度和傳遞誤差、接觸斑點、嚙合錯位量等。依據性能指標要求，進行齒輪參數的NVH匹配選擇，如齒數的選擇（需要保證階次錯開），齒寬和螺旋角的匹配，細高齒的選擇，齒輪加工工藝等。在確定宏觀參數后，進行齒面微觀修形降低傳遞誤差[3]。齒輪設計流程如圖2所示。

軸系結構布置，確保齒輪的錯位量、軸的撓度，兼顧足夠的齒寬，軸向定位及徑向支撐、軸承類型的選擇以及預緊力定義等[4]。

殼體壁厚的要求（一般3.5-4mm），筋板的走向一般要連通，并且使螺栓位置和軸承座位置相互連接。控制第一階約束模態（傳統車一般高于600Hz）、控制平面局部模態、軸承座動剛度（一般要求高于10KN/MM）、并考慮預留聲學罩位置。

變速箱聲輻射仿真和NVH臺架試驗驗證。仿真預測變速箱殼體振動和輻射噪音。樣機制造后，測試變速箱聲功率和振動，根據整車車內噪音要求，設計變速箱總成噪音和振動的開發目標。對變速箱本體級別的振動噪音進行控制。

4 整車傳遞路徑分析

整車傳遞路徑主要包括結構路徑和空氣路徑。

4.1 結構路徑主要包括如下3方面

變速箱懸置和后懸置的設計，對于懸置支架的設計要求頻率大于600Hz， 懸置隔振率在滿足怠速和耐久的前提下，階次隔振率盡可能大于20dB。同時保證車身聲傳函靈敏度低（NTF<55）。在開發中，需要調試懸置隔振元件剛度或者增加吸振器來減小振動的傳遞。

半軸設計中需要預留damper位置，并進行懸掛Tower聲傳函靈敏度的設計。在開發中，可以通過測試Knuckle位置的振動判斷半軸路徑，隨后進行對應問題頻率的damper設計來減小共振幅值。

對于拉索的設計，在保證換擋性能如換擋力、平順性等的前提下，需要優化拉索長度、拉索與支架之間的隔振，并預留增加質量塊的位置。在工程開發中，可以通過斷開拉索的方法快速驗證。

4.2 空氣路徑傳遞

根據車輛級別及車內噪音目標要求，進行前圍隔聲等級設計，主要包括吸隔聲材料的選擇、各種管路（空調、轉向、拉索等）開孔的設計布置。

其次進行隔聲量試驗驗證和調試，基于能量的噪音衰減增益來最終衡量聲學包的性能，確保滿足設計要求。在問題調查中，可以驗證隔聲量、調查整車密封、有無泄露的孔洞等來排查空氣路徑。

5 某主減速齒輪加速嘯叫噪聲改進

針對某項目在整車開發過程中，抱怨在80-100km加速時候嘯叫嚴重，多個檔位在同樣車速范圍均有類似表現。采用階次跟蹤的方法[4]，進行問題識別，確定為主減速齒輪嘯叫。

5.1 差異性調查

整車差異排查，評估另外一輛同批次車，存在同樣工況嘯叫，排除車輛差異。

變速箱差異排查，拆下變速箱，進行齒輪質量檢查，均滿足設計公差;并且在更換新計量合格的變速箱后，整車嘯叫表現一致。排除變速箱零件質量問題。因此，需要從設計角度著手解決問題。

5.2 變速箱本體設計檢查及進一步提升的可能性

對于齒輪，在開發階段已經做過齒輪修形的穩健性評估和設計，選用了最優的齒輪修形參數[5]。并且在設計中考慮了修形參數的優化，將齒形角度偏差fha從30減小到15，優化后，傳遞誤差在各個扭矩下均降低，并小于1μm;接觸斑點比之前更加居中，位于齒面的中間部位，嚙合受力更加均勻。如圖3所示。

同時，殼體模態進行了加強優化，主要對離合器殼體進行加筋強化，以及后殼體的主減速部位筋板加高及貫通，第一和第二階頻率分別從632Hz、696Hz提升到684Hz和723Hz。

變速箱NVH臺架試驗結果，已經滿足并高于設計指標，如圖4所示，指標來源于整車目標分解。變速箱本體已經無進一步提升的必要性。

5.3 傳遞路徑識別

5.3.1 空氣路徑調查

使用超聲波探測儀檢查車輛無漏音，檢查轉向管柱和空調管路等均無漏孔部位。排除空氣路徑。

5.3.2 結構路徑調查

測試懸置主被動、半軸對應的Knuckle振動、拉索支架和排擋球頭振動，與車內抱怨階次噪音對比，進行路徑的噪聲特征識別分析。噪聲主要的抱怨頻率范圍為830-980Hz，懸置一般傳遞800Hz內的振動，半軸頻率一般在500Hz內，結合拉索振動與車內噪音吻合度較高，判斷拉索為主要的傳遞路徑，并進一步驗證。如圖6所示。

5.4 拉索傳遞路徑減振優化

針對拉索振動主要通過增加mass damper進行振動的抑制。共驗證了4種不組合方案，如圖5所示，方案A為車內外均加400g mass，B為車外400g mass，車內200g mass，C為車外400g mass，D為車外200g。綜合效果，ABC 3個方案均對嘯叫有明顯降低，且效果接近，均有6-7dBA左右降低，說明對于嘯叫噪音，越靠近源頭的mass damper減振，效果越明顯。方案D有一定改善，仍不能接受，說明mass damper要有一定的重量才能達到最優效果。最終選擇靠近源頭加400g mass 的方案，車內噪音和排擋桿球頭振動大幅度降低，車內噪音得到解決，如圖6所示。

6 結語

本文從源頭和路徑系統的角度探討了嘯叫的開發和問題解決，得出如下結論。

1）在嘯叫的開發中，既需要控制變速箱總成振動和輻射噪音，同時又需要結合路徑減振隔聲，包括懸置隔振、半軸隔振、拉索隔振，及針對特定頻率進行聲學包集成開發，對嘯叫進行系統性的開發。

2）針對某案例，詳細描述了嘯叫問題的識別，以及從源頭到路徑如何進行問題分析。最終通過拉索加質量塊的方法解決了變速箱嘯叫。并驗證了質量塊越重且越靠近源頭減振效果越好。

參考文獻：

[1]葛如海，蔣旭義等.齒面微觀修形在汽車變速器降噪中的應用研究.汽車工程：2009，Vol.3（31）：557-560.

[2]湯海川，郭楓.基于齒輪修形的汽車變速器齒輪嘯叫噪聲改善研究.上海理工大學學報：2013，Vol.35（3）：294-298.

[3]彭國民，康黎云等.變速器齒輪傳遞誤差分析與優化.汽車技術，2009（12）：95-99.

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

[5]欒文博，吳光強等.基于階次跟蹤的變速箱嘯叫噪聲分析.振動與沖擊，2013，V01.32（11）：95—99.

[6]張國耕，王全任等.基于傳遞誤差的齒輪修形參數穩健性評估.上海汽車.2017（9）：14-20.