匹配DCT變速器的某車型滑行嘯叫噪聲分析與控制

陳兵 岳貴平 張春寶

摘? 要：針對匹配DCT變速器的某車型滑行時產生嘯叫的問題，本文利用試驗手段和齒輪噪聲的測試數據對其產生原因進行了分析。在變速器生產過程中，通過優化齒輪齒頂修緣量和粗糙度，在不改變齒輪設計參數的前提下，有效地降低了變速器齒輪噪聲，解決了DCT變速器滑行工況的齒輪嘯叫問題。

關鍵詞：DCT變速器；齒輪嘯叫；齒頂修緣量；粗糙度

中圖分類號：U463.2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0032-05

Analysis and Control of Coasting Whine of a Certain Vehicle Matched With DCT Transmission

CHEN Bing1，2， YUE Gui-ping1，2， ZHANG Chun-bao1，2

（ 1. China FAW Corporation Limited R & D Center， Changchun 130013， China；

2. National Key Laboratory of High-end Automotive Integration and Control，

Changchun 130011， China）

Abstract： A gear whine issue occurred in a vehicle model matched with a DCT transmission when coasting. This paper used experimental method and the acquired test data to investigate the mechanism of the gear noise generation. Under the condition of no gear design parameter change allowed， by optimizing the gear tooth tip trimming amount and roughness， and controlling the transmission production process， the gear noise of the transmission is effectively reduced， and the gear whine issue is successfully resolved.

Key Words： DCT Transmission; Gear Whine; Tooth Tip Trimming Amount; Waviness

1? ? 前言

隨著生活水平的提高，人們在對汽車的要求不僅僅局限于油耗和駕駛性等，對舒適性的要求也在不斷提高。汽車舒適性中的重要影響因素之一就是整車NVH（Noise，Vibration，Harshness），是指汽車駕駛過程中的噪聲、振動以及聲振粗糙度或不舒適性[1-2]。變速器作為汽車的主要零部件，對整車NVH性能有著重要的影響。由于變速器內部零件的主要工作形式為齒輪嚙合，所以齒輪嚙合噪聲是變速器的主要噪聲之一。DCT變速器比CVT變速器有更好的動力性，與AT變速器比有更好的經濟性，所以在市場上有很大的占有率。變速器引起的車內噪聲問題中，由變速器齒輪嚙合引起的嘯叫噪聲占比很高，因此解決DCT變速器引起的車內噪聲問題就顯得尤為重要。

對于變速器齒輪嚙合噪聲，國內外學者對齒輪敲擊噪聲進行了大量研究。2015年，Ales Prokop創建了變速箱簡化模型，包括齒輪嚙合剛度、側隙、軸承剛度和主要部件的模態特性等基本機制，并進行了實驗驗證，該模型與實驗結果匹配良好[3]。2018年，A Palermo通過低成本數字編碼器簡化了齒輪傳動誤差測量，將齒輪傳動誤差當作變速箱的NVH 指標，并將其用于齒輪微觀幾何設計[4]。2021年，童啟明和雷江泉對變速器傳遞路徑的機制進行了分析，并制定了變速器殼體增加加強筋和優化變速器齒形參數的方案。經過仿真分析、 主觀駕評、 客觀測試均證明車內階次噪聲改善明顯，該方法能夠有效解決變速箱嘯叫問題[5]。2018年，為解決某前置前驅乘用車加速中出現的變速器齒輪敲擊噪聲問題，吳田田、王江濤等人建立了整車動力傳動系統扭轉振動仿真模型，并對影響傳動系統共振頻率和響應幅值的關鍵參數進行敏感性分析[6]。2020年，朱春華以齒輪系統內部激勵響應為研究重點，對齒輪系統在嚙合時所受到的綜合動態力進行了理論分析及數值計算[7]包括誤差激勵、輪齒剛度激勵和嚙合沖擊激勵等。2020年，焦嬌、姜耀全等人利用階次分析方法，針對某手動變速器在整車上出現檔位齒輪嘯叫現象，通過臺架實驗對比產品升級前后變速器本體NVH差異，并利用傳遞路徑分析方法，通過更改懸置配重的方法，從傳遞路徑上解決了齒輪嘯叫問題[8]。2020年，石懷瑞、張飛兵和楊波，針對某雙離合變速器存在嘯叫噪聲問題，通過整車和臺架NVH試驗和階次跟蹤分析方法，運用仿真手段進行齒輪微觀修形，降低齒輪傳遞誤差，通過測試表明該方法可以顯著改善變速器嘯叫噪聲問題[9]。

本文以匹配DCT變速器的某車型為例，通過控制齒輪加工精度，降低誤差激勵，最終解決了某車型滑行嘯叫噪聲問題。

2? ? 問題描述

在研發某車型的過程中發現，該車在4擋滑行工況，發動機轉速在1900r/min-1500r/min范圍內存在明顯的嘯叫噪聲，影響駕駛感受，主觀評價不可接受。對車輛滑行車內噪聲進行測試分析，分析結果顯示，車內噪聲存在明顯的發動機30.7階次噪聲成分，頻譜見圖1（a），階次噪聲曲線見1（b）。

3? ? 嘯叫噪聲問題分析

齒輪噪聲大致分兩類：一類是由非承載齒輪產生的敲擊（Gear Rattle）。由于齒輪的側隙和輸入扭矩、轉速的波動導致的。通常發生在車輛低轉速范圍。另一類是由承載齒輪產生的嘯叫（Gear Whine）。由于齒輪的傳遞誤差導致，有特定的音調，與齒輪的制造、裝配以及整個傳動系統的剛度，齒輪的宏觀參數和齒面修形等因素相關。齒輪嘯叫噪音與傳動比及嚙合頻率相關，即有固定的階次。根據以往的分析，滑行工況嘯叫噪聲很可能來自變速器的承載齒輪的嚙合噪聲。

為了確定該車型的嘯叫噪聲來源哪個零部件，又對不同擋位的滑行車內噪聲進行了測試及主觀評價，發現其他擋位無明顯的嘯叫，確認了車內嘯叫噪聲與擋位有關，主要噪聲成分為發動機轉速30.7階次。車內噪聲頻譜見圖1，車內階次噪聲曲線見圖2。

此變速器的4擋驅動齒輪齒數為37，被動齒輪齒數為35，常嚙合驅動齒輪齒數為29，所以4擋常嚙合齒輪階次為37/35×29=30.7。通過對變速器的功率流進行了分析發現：變速器4擋時，常嚙合齒輪副的嚙合階次為發動機轉速的30.7階次。同時對噪聲數據進行濾波分析和噪聲信號回放，發現濾掉30.7階次成分時，車內嘯叫噪聲消失，進一步確認了滑行時的嘯叫噪聲是由變速器的常嚙合齒輪副嚙合產生的。

4? ? 解決方案和效果驗證

來源于齒輪副的激勵是產生變速器嘯叫的主要原因，一般來說齒輪副的激勵分成內部激勵和外部激勵兩部分[10]。外部激勵和內部激勵相比，所占比重很小，所以解決齒輪嘯叫問題主要從內部激勵入手。

參考振動沖擊理論[11-13]，一般來講，使用一個單自由度振動系統作為齒輪傳動的扭振模型，如圖2所示，建立齒輪傳動的動力學方程式如式（1）所示，可以清楚的研究齒輪嚙合力和齒輪內部激勵都由哪幾部分構成。

（1）

其中：

M代表齒輪對在嚙合線上的等效質量；

J1、J2分別代表主被動齒輪的轉動慣量；

rb1、rb2分別代表主被動齒輪的基圓半徑；

T1、T2分別代表主被動齒輪轉矩；

θ1、θ2分別代表主被動齒輪轉角；

Kt代表齒輪時變嚙合剛度；

c代表阻尼系數；

et代表齒輪綜合誤差，是時間t的函數；

x代表相對位移；

F0代表靜態傳遞載荷；

此外

將隨時間變化的位移和剛度分為不變部分和變化部分，即：

則式（1）經過變換，略去高階項得到：

（2）

式（2）右側即為單自由度齒輪傳動模型的內部激勵的組成部分，其中右側第一項為誤差激勵；第二項為剛度激勵；第三項是為嚙合沖擊激勵。右側這三項就包括了所有的齒輪傳動的內部激勵。

齒輪設計完成后，設計參數已經通過仿真計算和試驗驗證，確定了對于嘯叫噪聲最優的設計參數。但在生產加工過程中，在相同的齒輪設計參數條件下，還會有很多齒輪檢測參數影響誤差激勵，最終影響嘯叫噪聲。

本文在不改變齒輪設計參數的前提下，通過對10臺變速器EOL檢測數據和齒輪檢測參數的相關性分析，在15個主要齒輪檢測參數中，識別出影響嘯叫噪聲的關鍵參數，15個主要齒輪檢測參數見表1：

通過表2可發現齒頂修緣量和齒向粗糙度與EOL檢測結果相關性較高，所以需要通過控制齒頂修緣量和粗糙度來降低EOL檢測振動值，從而對整車嘯叫進行控制。

對產生嘯叫噪聲的常嚙合齒輪中的主動輪進行加工精度控制，控制齒頂修緣量[14] [15]和粗糙度[16]。齒頂修緣量與EOL檢測結果相關性分析結果見圖3，粗糙度與EOL檢測結果相關性分析結果見圖4。

通過圖3和圖4可知，為了達到降低EOL檢測結果，進而降低變速器常嚙合齒輪嘯叫噪聲，需要控制齒頂修緣量和粗糙度。通過選取對常嚙合齒輪主動齒輪齒頂修緣量最大偏差控制在Amm以下，同時常嚙合齒輪主動齒輪粗糙度控制在Bμm以下的齒輪進行裝機，進行EOL檢測，EOL結果基本控制在0.9m/s2以下。

匹配安裝控制常嚙合齒輪主動齒輪齒頂修緣量和粗糙度的變速器的車輛進行車內噪聲測試，頻譜見圖5，階次噪聲曲線見6，優化前后階次噪聲對比結果見7。

分析結果顯示，控制齒輪修緣量和粗糙度后的變速器車內噪聲30.7階次成分明顯下降，1900r/min -1500r/min范圍內幅值下降了8dB（A），主觀評價結果為可接受。通過大樣本量的測試結果統計，對于安裝優化后變速器車輛的嘯叫噪聲：不可接受的比例從5%降低到0%。

5? ? 結論

本文通過對噪聲數據進行濾波分析和信號回放，確定了某車型的滑行嘯叫噪聲來源于變速器。通過對齒輪參數與變速器EOL結果的相關性分析，確定了控制齒廓齒頂修緣量和粗糙度來解決齒輪嘯叫的技術路線，最終解決了由變速器齒輪嚙合噪聲引起的滑行時車內嘯叫噪聲問題。本文對如何控制齒輪加工精度，確定齒輪影響嘯叫的關鍵參數，解決由變速器齒輪嚙合引起的車內嘯叫噪聲提供了解決思路和方法。

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專家推薦語

嚴? ?輝

國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽）

噪聲振動試驗室主任? 研究員級高級工程師

該文針對某DCT車型的齒輪嘯叫聲問題，闡明了齒輪噪聲的產生機理，找出了影響齒輪嘯叫聲的主要參數。通過優化齒輪齒頂修緣量和波紋度，從振動源上解決了齒輪嘯叫聲。為齒輪噪聲分析與控制提供了良好的應用案例和指導。