变速箱齿轮啸叫的系统控制方法研究

张立双

摘 要：本文从源头和路径的系统控制角度对齿轮啸叫进行研究，探讨了变速箱本体噪声控制，与传递路径的减振隔声相结合的方式来解决啸叫问题。针对某一案例，采用齿轮修形降低变速箱传递误差、壳体加筋强化提升模态等措施确保源头满足指标;传递路径测试分析，识别出拉索为主要路径，通过拉索加质量块减振的方法解决啸叫，同时研究了不同质量块位置对啸叫减振效果的差异。说明从系统角度来解决齿轮啸叫问题更加经济高效。

关键词：齿轮啸叫 系统控制 传递误差 传递路径 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

齿轮啸叫是齿轮啮合过程中产生的一种噪音，与相互啮合受载的齿轮直接相关。齿轮啸叫是一个窄带谱的純音，对人耳的冲击更加明显。因此要提升产品竞争力，必须降低齿轮啸叫。

齿轮啸叫是一个系统的问题，之前的很多研究都通过降低齿轮传递误差来降低啸叫[1，2]，随着汽车电动化产生的背景噪音降低以及消费者对噪音要求的提升，仅仅依靠齿轮源头的优化，并不能经济高效的解决啸叫。因此，对齿轮啸叫噪声从源头和传递路径进行系统的控制就变得越来越重要。本文从源头和路径两方面相结合，系统介绍齿轮啸叫开发，并以某主减速齿轮加速啸叫为例，来探讨具体齿轮啸叫改善方法。

2 齿轮啸叫的产生及系统控制

对齿轮啸叫进行系统的控制，需要了解齿轮啸叫产生及传递过程，包括源头——路径——响应三个方面。如图1所示。以变速箱作为一个噪音源来看，齿轮和轴系为激励源头，壳体产生辐射噪音和传递振动。变速箱安装到整车后，主要通过结构和空气两个路径向车内传递。其中，结构路径主要是振动激励车身产生响应，共包括，一悬置，主要为变速箱悬置和后悬置，通过悬置安装点向车内传递，二左右半轴，主要通过半轴、Knuckle到悬挂tower传递，三换挡拉索的振动传递;空气路径主要指前围的吸隔声，一般对应不同级别的车型，对应不同的隔声量等级。

3 变速箱本体啸叫噪音控制

对于变速箱本体噪声，主要包括齿轮设计——宏观/微观参数、轴系布置、壳体模态，以及齿轮啸叫辐射噪声仿真、变速箱NVH台架验证等几方面。

齿轮的激励主要包括刚度激励、位移激励和啮入啮出激励。具体需要控制的性能参数为，重合度和传递误差、接触斑点、啮合错位量等。依据性能指标要求，进行齿轮参数的NVH匹配选择，如齿数的选择（需要保证阶次错开），齿宽和螺旋角的匹配，细高齿的选择，齿轮加工工艺等。在确定宏观参数后，进行齿面微观修形降低传递误差[3]。齿轮设计流程如图2所示。

轴系结构布置，确保齿轮的错位量、轴的挠度，兼顾足够的齿宽，轴向定位及径向支撑、轴承类型的选择以及预紧力定义等[4]。

壳体壁厚的要求（一般3.5-4mm），筋板的走向一般要连通，并且使螺栓位置和轴承座位置相互连接。控制第一阶约束模态（传统车一般高于600Hz）、控制平面局部模态、轴承座动刚度（一般要求高于10KN/MM）、并考虑预留声学罩位置。

变速箱声辐射仿真和NVH台架试验验证。仿真预测变速箱壳体振动和辐射噪音。样机制造后，测试变速箱声功率和振动，根据整车车内噪音要求，设计变速箱总成噪音和振动的开发目标。对变速箱本体级别的振动噪音进行控制。

4 整车传递路径分析

整车传递路径主要包括结构路径和空气路径。

4.1 结构路径主要包括如下3方面

变速箱悬置和后悬置的设计，对于悬置支架的设计要求频率大于600Hz， 悬置隔振率在满足怠速和耐久的前提下，阶次隔振率尽可能大于20dB。同时保证车身声传函灵敏度低（NTF<55）。在开发中，需要调试悬置隔振元件刚度或者增加吸振器来减小振动的传递。

半轴设计中需要预留damper位置，并进行悬挂Tower声传函灵敏度的设计。在开发中，可以通过测试Knuckle位置的振动判断半轴路径，随后进行对应问题频率的damper设计来减小共振幅值。

对于拉索的设计，在保证换挡性能如换挡力、平顺性等的前提下，需要优化拉索长度、拉索与支架之间的隔振，并预留增加质量块的位置。在工程开发中，可以通过断开拉索的方法快速验证。

4.2 空气路径传递

根据车辆级别及车内噪音目标要求，进行前围隔声等级设计，主要包括吸隔声材料的选择、各种管路（空调、转向、拉索等）开孔的设计布置。

其次进行隔声量试验验证和调试，基于能量的噪音衰减增益来最终衡量声学包的性能，确保满足设计要求。在问题调查中，可以验证隔声量、调查整车密封、有无泄露的孔洞等来排查空气路径。

5 某主减速齿轮加速啸叫噪声改进

针对某项目在整车开发过程中，抱怨在80-100km加速时候啸叫严重，多个档位在同样车速范围均有类似表现。采用阶次跟踪的方法[4]，进行问题识别，确定为主减速齿轮啸叫。

5.1 差异性调查

整车差异排查，评估另外一辆同批次车，存在同样工况啸叫，排除车辆差异。

变速箱差异排查，拆下变速箱，进行齿轮质量检查，均满足设计公差;并且在更换新计量合格的变速箱后，整车啸叫表现一致。排除变速箱零件质量问题。因此，需要从设计角度着手解决问题。

5.2 变速箱本体设计检查及进一步提升的可能性

对于齿轮，在开发阶段已经做过齿轮修形的稳健性评估和设计，选用了最优的齿轮修形参数[5]。并且在设计中考虑了修形参数的优化，将齿形角度偏差fha从30减小到15，优化后，传递误差在各个扭矩下均降低，并小于1μm;接触斑点比之前更加居中，位于齿面的中间部位，啮合受力更加均匀。如图3所示。

同时，壳体模态进行了加强优化，主要对离合器壳体进行加筋强化，以及后壳体的主减速部位筋板加高及贯通，第一和第二阶频率分别从632Hz、696Hz提升到684Hz和723Hz。

变速箱NVH台架试验结果，已经满足并高于设计指标，如图4所示，指标来源于整车目标分解。变速箱本体已经无进一步提升的必要性。

5.3 传递路径识别

5.3.1 空气路径调查

使用超声波探测仪检查车辆无漏音，检查转向管柱和空调管路等均无漏孔部位。排除空气路径。

5.3.2 结构路径调查

测试悬置主被动、半轴对应的Knuckle振动、拉索支架和排挡球头振动，与车内抱怨阶次噪音对比，进行路径的噪声特征识别分析。噪声主要的抱怨频率范围为830-980Hz，悬置一般传递800Hz内的振动，半轴频率一般在500Hz内，结合拉索振动与车内噪音吻合度较高，判断拉索为主要的传递路径，并进一步验证。如图6所示。

5.4 拉索传递路径减振优化

针对拉索振动主要通过增加mass damper进行振动的抑制。共验证了4种不组合方案，如图5所示，方案A为车内外均加400g mass，B为车外400g mass，车内200g mass，C为车外400g mass，D为车外200g。综合效果，ABC 3个方案均对啸叫有明显降低，且效果接近，均有6-7dBA左右降低，说明对于啸叫噪音，越靠近源头的mass damper减振，效果越明显。方案D有一定改善，仍不能接受，说明mass damper要有一定的重量才能達到最优效果。最终选择靠近源头加400g mass 的方案，车内噪音和排挡杆球头振动大幅度降低，车内噪音得到解决，如图6所示。

6 结语

本文从源头和路径系统的角度探讨了啸叫的开发和问题解决，得出如下结论。

1）在啸叫的开发中，既需要控制变速箱总成振动和辐射噪音，同时又需要结合路径减振隔声，包括悬置隔振、半轴隔振、拉索隔振，及针对特定频率进行声学包集成开发，对啸叫进行系统性的开发。

2）针对某案例，详细描述了啸叫问题的识别，以及从源头到路径如何进行问题分析。最终通过拉索加质量块的方法解决了变速箱啸叫。并验证了质量块越重且越靠近源头减振效果越好。

参考文献：

[1]葛如海，蒋旭义等.齿面微观修形在汽车变速器降噪中的应用研究.汽车工程：2009，Vol.3（31）：557-560.

[2]汤海川，郭枫.基于齿轮修形的汽车变速器齿轮啸叫噪声改善研究.上海理工大学学报：2013，Vol.35（3）：294-298.

[3]彭国民，康黎云等.变速器齿轮传递误差分析与优化.汽车技术，2009（12）：95-99.

[4]尹建民，张国耕等.变速器齿轮啸叫前期研究.上海汽车，2018（6）：28-34.

[5]栾文博，吴光强等.基于阶次跟踪的变速箱啸叫噪声分析.振动与冲击，2013，V01.32（11）：95—99.

[6]张国耕，王全任等.基于传递误差的齿轮修形参数稳健性评估.上海汽车.2017（9）：14-20.