變速器振動噪聲產生機理研究

楊亞楠 朱春華 靳 越

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.張家口職業技術學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

變速器在實際工作中產生的振動噪聲會嚴重影響整車的NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)性能,破壞駕駛員的駕乘體驗.為了解決這一問題,國內外研究人員首先從振動噪聲產生的機理入手,進行了大量卓有成效的研究,為后續尋求變速器減振降噪的具體措施奠定了基礎.1958年,國外學者Harris,S.L對齒輪副的動態載荷進行了研究,研究表明嚙合振動是在輪齒剛度的非線性和時變性的作用下產生的,他率先提出與齒輪振動噪聲密切相關的傳遞誤差概念[1-2];1997年,我國學者李潤芳教授撰寫了專著《齒輪系統動力學-振動沖擊-噪聲》,闡述了齒輪振動與噪聲產生機理、齒輪傳動系統的非線性等問題[3];2010年,曾作欽等探究了齒輪的嚙合阻尼和嚙合剛度對齒輪振動噪聲的影響[4];2012年,李進超研究了在變速器內部激勵和外部激勵作用下變速器振動噪聲的特性,探討其振動噪聲產生的機理[5];2022年,韓小偉等人針對雙離合自動變速器在變檔過程中產生的振動噪聲問題展開分析研究[6];2023年,王福軍等人對因變速器齒輪傳遞誤差而引起的振動噪聲進行研究 ,結果表明增加合理輪齒微觀修形參數,可明顯減小變速器振動響應[7]。

1 變速器振動噪聲產生機理及傳遞路徑

變速器是一種由多種零部件組成的復雜齒輪傳動系統,其振動噪聲產生的激勵源是多種多樣的[8],如圖1所示.總體來說,變速器的振動噪聲激勵源可以分為外部激勵和內部激勵兩大類.其中外部激勵主要由動力源的扭矩及轉速波動、連接動力源與變速器的傳動軸的扭轉特性、相關傳動零部件的激勵特性(離合器的非線性、滾動軸承剛度的時變性等)構成;內部激勵主要包括變速器的齒輪時變嚙合剛度激勵、嚙合誤差激勵以及嚙合沖擊激勵.這些激勵會使變速器的嚙合齒輪副產生動態嚙合力,使齒輪發生圓周扭轉振動,之后通過齒輪軸、軸承引起軸承孔的徑向及軸向振動,并進一步導致變速器箱體的振動,整個過程產生的噪聲最終輻射到外界環境當中.

圖1 變速器振動噪聲產生激勵源

2 變速器振動噪聲激勵源分析

大量研究表明,輪齒嚙合時產生的內部激勵對變速器總成振動噪聲產生的影響最大,且在原動機的外部激勵恒定時,此內部動態嚙合力也是始終存在且無法消除的,該內部激勵也會使變速器的齒輪系統產生振動[3].因此本文著重從齒輪系統內部激勵入手進行變速器振動噪聲激勵源的分析.

齒輪傳動系統模型如圖2所示,通過構建齒輪系統動力學方程并對其進行近似變換,從而進一步分析研究齒輪系統內部的動態激勵,得到變速器振動噪聲產生的機理.

圖2 齒輪傳動系統模型

對于所建立的齒輪傳動系統模型,可用非線性動力學方程表示為:

(1)

式中:

M——齒輪副等效質量;

C——系統阻尼系數;

K(t)——齒輪副的時變嚙合剛度(該剛度為齒軸剛度、結構系統剛度、結合部剛度及齒輪嚙合的綜合);

xs——靜態相對位移向量;

x——動態相對位移向量;

e(t)——齒輪綜合誤差(時間t的函數);

Ps——靜態載荷.

上式(1)可以改寫為:

(2)

又,

(3)

針對上述的非線性動力學方程,對其進行近似變換,可得到:

(4)

式中:

K(t)——齒輪嚙合剛度中的變剛度部分;

S(t)——嚙合沖擊激勵力.

上式4中,等式右邊為振動的激勵力,其中ΔK(t)e(t)是嚙合剛度激勵與誤差激勵的綜合,S(t)表示嚙合沖擊激勵.由此可以看出,齒輪系統在嚙合時所受到的綜合動態力是由輪齒剛度激勵、誤差激勵、嚙合沖擊激勵所引起的,并會產生相應的振動激勵反饋.

3 結 論

本文首先對變速器振動噪聲產生機理及傳遞路徑進行研究,然后通過構建變速器齒輪傳動系統動力學模型,根據齒輪系統非線性動力學方程,對變速器振動噪聲產生激勵源進行分析,找到了齒輪時變嚙合剛度激勵、齒輪誤差激勵以及齒輪嚙入嚙出激勵等較為關鍵的內部動態激勵,為后續變速器減振降噪措施的研究奠定了基礎.