手动变速箱齿轮敲击问题研究

王从鹤，张国耕，刘鹏（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

手动变速箱齿轮敲击问题研究

王从鹤，张国耕，刘鹏
（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

手动变速箱齿轮敲击是一种常见的变速箱噪音。从齿轮敲击产生机理出发，研究变速箱齿轮敲击噪音的传播过程，分析拉索与变速箱壳体模态参数对振动噪音传播影响的机理。结合某车型加速行驶时，驾驶员右耳处存在1300-2500Hz的齿轮敲击噪音问题，通过优化拉索和变速箱壳体设计，改变其模态参数，基本消去驾驶员右耳处噪声，试验验证效果良好。

手动变速箱；噪音；设计参数优化；试验验证

王从鹤

毕业于上海交通大学，研究生学历，硕士学位；工程师；现任职泛亚汽车技术中心有限公司动力总成部项目实施总监，从事车辆动力及传动系统工程开发及其技术管理工作。

1　前言

手动变速箱是由齿轮、轴、轴承、同步器、选换挡机构等组成，能够实现变速箱挡位切换的复杂机械系统。由于手动变速箱工作环境恶劣，手动变速箱（MT）在整车中易于产生较明显的噪音。对于其噪声的形成，一般认为是由于齿轮在传动过程中，齿轮弹性形变、制造或装配误差等引起啮合冲击而产生振动与声辐射，通过轴、轴承传至箱体，再通过空气与拉索等传递至车内空间。手动变速器的振动噪声根据其产生原理的不同可以分为五类：齿轮啸叫、齿轮敲击、同步器结合噪声、轴承噪声、以及变速箱选换挡球头振动等。

由于变速箱敲击噪音的产生机理涉及变速箱齿轮传动系统动力学，影响因素多，分析方法并不够完善，但从20世纪80年代开始，探索从未停止。冯振东等［1］采用了2自由度的非线性振动模型模拟怠速时变速器常啮合齿轮轮齿间的敲击；R.Singh等［2］建立了4自由度齿轮敲击模型，研究离合器的设计参数对齿轮敲击的影响进行了仿真分析；郭荣等［3］建立齿轮敲击问题的4自由度模型，模型中考虑离合器扭转刚度和轮齿弹性接触力2个非线性因素。龚兵等［4］通过AmeSim软件建立变速箱传动系统敲击模型并通过试验验证，为敲击问题的认识提供了一种较为方便的方法。

变速箱敲击问题的解决，主要包括：激励源即发动机扭振控制，响应即离合器参数匹配、变速箱齿轮侧隙、滚针轴承摩擦力矩和搅油损失，以及优化传递路径等方法［6-7］。

本文结合某车型变速箱，在加速行驶时具有较明显齿轮敲击这一问题，研究变速箱敲击产生及振动噪音传播过程，分析拉索与变速箱壳体模态参数对振动噪音传播的影响，确定齿轮敲击噪音的解决方案。

2　变速箱敲击产生及传播

变速箱齿轮敲击噪声是发生在非承载齿轮对和换挡组件（如同步环、滑套等）上的一种冲击现象。

2.1齿轮敲击产生机理

图1是一对非承载齿轮阻力矩与转速关系简化图，拖拽力矩 Tdrag和齿轮转动惯量 Jl的大小直接决定变速器内是否会产生齿轮敲击噪声［7-8］：

式中Jl—空套齿轮的惯量；θl—空套齿轮的角速度； Tdrag—作用在非承载齿轮上的拖拽力矩。

2.2齿轮敲击噪音传播过程及影响因素

噪音的传播途径主要分为空气传声和固体传声两类，其中固体传声为齿轮敲击噪音的主要改善途径。

在固体传声中，结构模态参数反映结构件的固有振动特性，特别是当结构的某阶振动模态与空腔的某阶声学模态一致时，会引起极大的声压产生。对结构件的模态分析是噪声预测与控制的重要环节。

结构件的模态参数是指系统的固有参数，如固有频率、固有振型、模态阻尼、模态刚度和模态质量，这些参数都隐含在系统参数频率响应函数中，频响函数推导过程如下［9］：

由机械振动的基本理论可知：

则：

频响函数可表示为：

当系统P点作用激振力时，结构L点的响应为：

由公式4）与公式5）可知，结构件各阶固有频率、模态质量、模态刚度、各阶阻尼因子是影响系统振动噪音的主要因素。

变速箱齿轮敲击噪音由发动机转速波动，通过离合器，由于离合器隔振效果不佳或发动机转速与扭矩波动较高，激起变速箱非承载齿轮对敲击振动。齿轮敲击振动通过轴、轴承传递至变速箱壳体，一方面通过空气、透过车身缝隙传递至驾驶仓；另一方面壳体振动通过选换挡拉索等传递至驾驶仓。

综上，控制变速箱输入端转速与扭矩波动、优化选换挡拉索与变速箱壳体模态参数，均是改善齿轮敲击噪音的有效方法。

3　问题解决

根据上述分析，针对某车型加速行驶时，驾驶员右耳处存在1300-2500Hz的齿轮敲击噪音问题，频谱图如图5（A）所示。

图5表示通过实车测试，不同方案下驾驶员右耳处噪音水平，纵坐标表示驾驶员右耳处噪音频率（单位：Hz）、横坐标表示测试时间（单位：s）、颜色深浅表示噪音振动强度（单位：Pa）。图5（A）表示原始设计方案，图5（B）表示断开拉索，图5（C）表示拉索系统优化后方案，图5（D）表示在优化拉索基础上进一步优化壳体方案。

通过测试离合器减振性能、优化选换挡拉索与变速箱壳体模态参数，研究问题变速箱齿轮敲击问题的解决方案。

3.1离合器减振性能测试

如图2所示，通过实车测试，在2档WOT工况，考察传动系主阶次（2阶）的转速波动，以角加速度为评价依据，变速箱输入轴转速波动基本小于发动机输出端转速波动。而离合器作为发动机与变速箱之间的减振部件，上述测量数据表明离合器起到了良好的减振效果，这说明该车型齿轮敲击噪音不是因为离合器隔振效果不佳引起。

3.2增加拉索配重块

研究变速箱拉索对车内噪音的影响，首先断开拉索，对车内敲击噪音进行测试，结果如图5（B）所示，噪音水平基本可以接受，说明噪音有很大一部分通过结构传递。根据公式4）与公式5）可知，改变拉索系统的模态质量、模态阻尼、模态刚度等，能有效降低结构件系统振动。

如图3所示，在选挡拉索和换挡拉索上分别增加300g配重块A和配重块B，以提高减振性能。测试结果如图5（C）所示，2100-2500Hz左右的噪音基本消除，敲击噪音有一定改善。

3.3优化变速箱壳体

为进一步控制噪音，根据公式4）与公式5）可知，优化拉索支架附近壳体模态参数也能有效减少振动传递。

通过在变速箱壳体拉索支架附近增加加强筋，以提升壳体模态频率，避开1500Hz、2050Hz左右振动频率。

如图4所示，图4（A）、（B）分别表示变速箱壳体拉索支架附近加加强筋前后6阶模态振型，改进前频率1510Hz、改进后频率1559Hz，频率提升3.2%；图4（C）、（D）分别表示变速箱壳体拉索支架附近加加强筋前后11阶模态振型，改进前频率2078Hz、改进后频率2136Hz，频率提升2.8%。图4中颜色表示振动辐度，最大值为1，最小值为0。通过在壳体拉索支架附近加加强筋使得壳体模态频率在1500Hz、、2050Hz附近有一定提升，避开激励频率；同时从壳体6阶与11阶振型图上可以看出沿着拉索移动方向变形幅度有一定改善。

如图5（D）所示，在变速箱壳体拉索支架附近加加强筋后方案，驾驶员右耳处1300-1500Hz、2050Hz频率被明显消除，驾驶体验良好。

4　总结

1）阐述变速箱敲击问题产生的机理及振动传递过程，确定通过控制变速箱输入端转速波动、优化选换挡拉索与变速箱壳体模态参数等解决方案。

2）从噪音传递路径出发，通过对变速箱拉索系统和变速箱壳体的优化，消除驾驶员右耳处1300Hz-2500Hz频率的噪音，解决工程问题。

［1］冯振东，史广奎，邬惠乐，等.东风牌EQ2D140柴油车变速器怠速噪声的研究［J］.汽车工程，1989 （2）：59-66.

［2］Singh R，Xie H，Comparin R J.Analysis of automotive neutral gear rattle［J］.Journal of Sound and Vibration，1989，131 （2）：177—196.

［3］郭荣，裘剡，章桐等。手动变速箱空挡齿轮敲击问题的影响因素分析［J］。江苏大学学报（自然科学版），2013，34（4）：378-383.

［4］龚兵，潘甫生，常辉等. 手动变速箱rattle噪声的仿真和试验［J］，计算机辅助工程 ，2013 22（5）：37-42.

［5］田雄，李宏成，吕先锋等. 基于传递路径试验分析的变速器敲击噪声优化［J］振动工程学报，2010，23（6）：642-648.

［6］T. C. Kim，R. Singh. Dynamic Interactions between Loaded and Unloaded Gear Pairs under Rattle Conditions［C］.Proceedings of 2001 SAE Noise and Vibration Conference： 1934-1943.

［7］Darrell Robinette，Randall S，Beikmann，Paul Piorkowski.Michael Powell.Characterizing the Onset of Manual Transmission Gear Rattle Part I：Experimental Results［J］SAE，2009-01-2063.

［8］蔡龙生，楚俊楠，陈俐. 基于包络解调的手动变速器齿轮敲击实验研究［J］.传动技术，2013，27（2）：38-45，48.

［9］靳晓雄，张立军著.汽车噪声的预测与控制.上海：同济大学出版社，2004：27.

专家推荐

陈赣：

该论文阐述了解决手动变速箱齿轮敲击噪声的一次尝试。从论文提供的数据看，采取了论文中所提到的措施后，敲击噪声有所减小，获得了降低乘员舱噪声的效果。

论文中阐述的方法不是仅仅针对手动变速箱噪声问题，而是一种普遍可采用的方法。作者把这个方法用于变速箱噪声问题的解决，取得了效果。但在理论上没有突破。

作者在论文中提供了一些数据以支撑其观点。“拉索接头做软、增加质量阻尼”过于定性，虽然给出了所增加质量块的数据，但没有给出该质量块质量值和位置时如何确定的。提高变速箱壳体的模态频率，论文中列出了原设计壳体的模态频率值和改进后的壳体的模态频率值，对读者理解作者采用的方法能有所帮助。

Manual Transmission Gear Rattle Solution

WANG Cong-he，ZHANG Guo-geng，LIU Peng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

Manual transmission gear rattle noise is a common gearbox noise. Based on the mechanism of gear rattle，the process of noise propagation，and the effects of the Modal Parameters on vibration noise are studied. There is a 1300-2500Hz noise problem existing at the driver's right ear，when vehicle at the acceleration states. By changing the modal parameters of the cable system and gearbox housing，the noise at the driver's right ear is eliminated，which is also demonstrated with the experimental test.

Manual Transmission； Rattle Noise； Design Parameters Optimization； Validation

2016-02-20

TB533+.2

A

1005-2550（2016）04-0019-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.003