王 東，陳達(dá)亮，梁博洋

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

發(fā)動機與驅(qū)動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系。傳動系一般由離合器、變速器、傳動軸、驅(qū)動橋等部件組成，但根據(jù)不同的驅(qū)動形式，包括前置前驅(qū)(FF)、前置后驅(qū)(FR)、后置后驅(qū)(RR)、中置后驅(qū)(MR)、全時四驅(qū)(AWD)、分時四驅(qū)(Part-Time 4WD)，傳動系的組成會有所差異。為了滿足汽車的實際駕駛需求，傳動系還具有變速、變扭、中斷動力、倒駛、變角度傳動、不打滑轉(zhuǎn)向等功能。對電動車而言，由于電機具有零轉(zhuǎn)速即可達(dá)到最大扭矩、輸出轉(zhuǎn)速高、可以反轉(zhuǎn)等優(yōu)點，因此電動車傳動系比較簡單，由減速器和半軸組成。

在車輛運行過程中，傳動系直接承受來自動力源的激勵，會產(chǎn)生多種NVH問題。在售后反饋中，與傳動系NVH相關(guān)的投訴一直占有較大比例。因此，在新車型開發(fā)過程中，傳動系NVH控制是必不可少的環(huán)節(jié)。在汽車NVH開發(fā)團(tuán)隊中，通常會設(shè)置專門的科室，負(fù)責(zé)傳動系NVH控制技術(shù)研發(fā)及相關(guān)問題解決。

1 傳動系常見NVH問題

常見的傳動系NVH問題頻率主要分布在2 Hz～6 000 Hz范圍內(nèi)。根據(jù)前置后驅(qū)車輛傳動系的結(jié)構(gòu)，傳動系主要的NVH問題及產(chǎn)生位置如圖1所示。

圖1 前置后驅(qū)汽車傳動系主要NVH問題及位置

圖1中，傳動系扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象、離合器鎖閉過程中顫振現(xiàn)象、齒輪敲擊噪聲現(xiàn)象、變速器嘯叫噪聲現(xiàn)象以及傳動系沖擊現(xiàn)象，是各種類型的傳動系中出現(xiàn)頻率最高的NVH問題。

傳動系扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象是國內(nèi)外專家、學(xué)者研究最多的問題之一。傳動系是由具有慣量、剛度和阻尼特性的部件組成的系統(tǒng)，因此存在固有頻率和振型，當(dāng)外部激振力的頻率與傳動系固有頻率相同時，系統(tǒng)便會發(fā)生共振，其響應(yīng)幅值遠(yuǎn)超過激振力幅值，共振響應(yīng)通過結(jié)構(gòu)路徑傳遞至車身，引起車內(nèi)鈑金件共振，從而導(dǎo)致車內(nèi)舒適性的問題。

離合器顫振現(xiàn)象出現(xiàn)在離合器結(jié)合過程中。這種振動現(xiàn)象按產(chǎn)生的機理分為兩種：一種為離合器摩擦材料的摩擦因數(shù)負(fù)梯度導(dǎo)致的自激振動[1]；另一種為壓盤不平度、變速器輸入軸不對中等形位偏差引起的強迫振動[2]。

齒輪敲擊主要發(fā)生在非承載的空套齒輪副之間?？仗X輪在旋轉(zhuǎn)方向上沒有約束且與主動齒輪存在間隙，發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動經(jīng)過離合器傳遞至變速器主動齒輪，主動齒輪帶動空套齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生角加速度變化，從而導(dǎo)致空套齒輪慣性力矩不斷變化。根據(jù)敲擊閥值理論[3]，當(dāng)空套齒輪的慣性力矩大于拖拽力矩時，空套齒輪將與主動齒輪失去接觸，當(dāng)二者再次接觸時，即發(fā)生敲擊現(xiàn)象。強烈的齒輪敲擊將產(chǎn)生寬頻帶噪聲[4]。

變速器嘯叫現(xiàn)象一般出現(xiàn)在承載齒輪副上，在車輛加速和滑行工況中均有可能產(chǎn)生齒輪嘯叫問題。輪齒交替嚙合產(chǎn)生的時變剛度，加工、裝配產(chǎn)生的誤差以及輪齒嚙入嚙出產(chǎn)生的沖擊，是引起齒輪嘯叫問題的主要激勵源。嘯叫噪聲具有明確的階次特征，齒輪嚙合產(chǎn)生的動態(tài)激勵經(jīng)過齒輪軸和軸承傳遞至變速器殼體，殼體輻射噪聲進(jìn)一步通過空氣和結(jié)構(gòu)路徑傳遞至車內(nèi)。

傳動系沖擊現(xiàn)象一般發(fā)生于急加速或急減速工況。由于傳動系統(tǒng)包含的齒輪副、花鍵副、萬向節(jié)等部件內(nèi)部不可避免地存在間隙，當(dāng)系統(tǒng)的扭矩或負(fù)載突然發(fā)生變化甚至反向時，傳動部件之間發(fā)生碰撞，往往表現(xiàn)為一聲短暫、響亮的金屬撞擊“咔噠”聲以及伴有較為明顯的振動現(xiàn)象。

針對傳動系常見NVH問題，可以按照“源—路徑—響應(yīng)”的模式進(jìn)行治理，一方面可以控制激勵源，比如降低激振力或改變激勵特性；二方面可以通過路徑進(jìn)行隔離，針對空氣路徑可以優(yōu)化聲學(xué)包，針對結(jié)構(gòu)路徑可以提升懸置隔振率、優(yōu)化安裝點動剛度等；三方面可以改變響應(yīng)系統(tǒng)，既可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而改變響應(yīng)系統(tǒng)特性，也可以通過主動控制的方式，在響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)加入抵消原有響應(yīng)的成分，從而達(dá)到消除駕乘人員不適感的目的。任何一個NVH問題的解決，僅通過“源—路徑—響應(yīng)”中的一個方面進(jìn)行優(yōu)化，往往難以取得滿意的效果，只有綜合考慮三者，才能找到最佳的解決方案。

2 傳動系NVH研究方法

近年來，國內(nèi)外對傳動系NVH問題的研究更為深入和具體，從最初的分析機理、基于較簡化模型進(jìn)行現(xiàn)象仿真，逐步朝著建立考慮更多影響因素且研究對象更為細(xì)致、更加符合工程實際的動力學(xué)模型，提出傳動系NVH問題新的影響因素，從主動控制和傳動系部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度去解決某些NVH問題等方向發(fā)展。同時，傳動系NVH問題的測試手段也得到快速發(fā)展，尤其是在傳動系NVH專用測試臺架的建設(shè)與應(yīng)用方面；基于臺架的測試和分析規(guī)范逐步完善，為解決傳動系NVH問題提供了強有力的工具[5]。

目前，對汽車傳動系NVH問題進(jìn)行研究大致遵循如下路線：

(1) 首先，對問題進(jìn)行主觀評價，初步確認(rèn)問題工況及表現(xiàn)。然后有針對性地設(shè)計實驗方案，包括測試方式、信號種類、測試工況等。有時為了獲取更為全面的測試數(shù)據(jù)，除了測試傳動系相關(guān)信息外，還需要測試傳遞路徑的特性。

(2) 通過圖紙、數(shù)模、逆向建模等方式，獲取傳動系動力學(xué)參數(shù)，對于傳動系所包含的阻尼參數(shù)往往難以獲取，通常需要根據(jù)經(jīng)驗值或經(jīng)驗公式進(jìn)行初步設(shè)定。

(3) 傳動系是多自由度、非線性振動系統(tǒng)，針對尚未研究過的傳動系，目前難以做到首次即正確的程度，將仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證模型的有效性，這一過程在建模中最關(guān)鍵也最費時，可以采用多工況依次驗證的方式，確保驗證結(jié)果的可靠性。

(4) 對通過仿真分析得到的優(yōu)化方案，需要進(jìn)行工程化評估，綜合考慮優(yōu)化效果、成本變動情況以及對其他性能的影響等因素，制造樣件并搭載實車進(jìn)行驗證。如果該現(xiàn)象得到改善或消除，則該方案可以保留并付諸實施。

2.1 傳動系NVH試驗

傳動系NVH試驗根據(jù)測試場地(如圖2所示)分為：實車道路試驗、實車轉(zhuǎn)轂試驗和傳動系臺架試驗等。實車轉(zhuǎn)轂試驗的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)轂半消聲室內(nèi)沒有風(fēng)噪的影響，且鼓面相對平整，路面不平帶來的激勵可以消除掉。傳動系臺架試驗對研究NVH問題更具針對性，臺架具有邊界條件簡單、易于調(diào)整工況、干擾因素少、問題更易凸顯等優(yōu)勢，適合用于研究產(chǎn)生機理及指導(dǎo)仿真分析。

圖2 傳動系NVH測試場地

試驗研究中NVH問題的特征測試、驗證優(yōu)化或解決方案都會涉及到對該現(xiàn)象的評價。評價分為客觀和主觀評價，主、客觀評價需要相互結(jié)合。

客觀評價通過分析試驗數(shù)據(jù)，用量化的指標(biāo)，如振動的加速度值、噪聲的聲壓級等指標(biāo)去衡量振動或噪聲現(xiàn)象的強弱，可以選用絕對值或相對值的方式進(jìn)行評價。為了更好地控制傳動系NVH性能，通常將指標(biāo)分為整車級、系統(tǒng)級、部件級和零部件級，形成控制指標(biāo)體系，有時關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的目標(biāo)也需要一并列出。

主觀評價則是通過用戶或測試人員對車內(nèi)外振動、噪聲的直觀感受，感覺聲音是安靜還是嘈雜、悅耳還是刺耳，感覺振動大小和舒適性[6]。

2.2 傳動系NVH仿真

通過仿真手段研究傳動系NVH問題，首先需要對傳動系進(jìn)行抽象，形成力學(xué)模型，然后根據(jù)相關(guān)動力學(xué)原理得到對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，最后在數(shù)學(xué)模型中加入合適的算法就可以得到仿真模型[7]。傳動系NVH問題根據(jù)表現(xiàn)形式可以分為穩(wěn)態(tài)問題、瞬態(tài)問題和過渡工況問題，按作用方式可以分為振動問題和噪聲問題，而噪聲也是由振動引起的，因此對噪聲問題通常也是從振動角度進(jìn)行研究，按照振動位移的方式又可以分為扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動、縱向振動以及它們之間相互耦合振動。根據(jù)具體問題，通過建立系統(tǒng)動力學(xué)、多體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)及混合模型對傳動系NVH問題進(jìn)行研究。

通過集總參數(shù)法建立系統(tǒng)動力學(xué)模型是傳動系NVH問題分析過程中最常用到的方法。將傳動系簡化為只有慣量沒有剛度的慣量盤、只有剛度沒有慣量的弾性軸以及粘性阻尼，形成由“慣量—剛度—阻尼”組成的離散系統(tǒng)。系統(tǒng)動力學(xué)模型的優(yōu)點在于所需建模參數(shù)少、模型易于擴展、建模效率高，缺點是由于在建模過程中對傳動系做了簡化處理，因此系統(tǒng)動力學(xué)模型主要用于對傳動系扭轉(zhuǎn)共振、齒輪敲擊、離合器顫振等問題進(jìn)行定性分析。多體動力學(xué)模型由于建模思路清晰，模型精度相對較高，在工程中應(yīng)用也很廣泛。常見的傳動系NVH問題都可以通過建立多體動力學(xué)模型進(jìn)行研究，根據(jù)問題表現(xiàn)的頻率范圍，進(jìn)一步又可以建立多剛體、多柔體或剛?cè)狁詈夏Ｐ?。利用系統(tǒng)動力學(xué)建立的是離散質(zhì)量模型，而利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)建立的則是連續(xù)質(zhì)量模型，更貼合傳動系實際狀態(tài)。工程上主要是通過有限元法建立結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，適合對仿真精度要求高的情況。傳動系工作過程中，多種形式的振動噪聲問題往往是依次出現(xiàn)的，且問題之間可能存在相互影響，對于這類問題，可以建立系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)混合模型，盡可能地模擬傳動系的真實工作狀態(tài)，既可以提升仿真精度又可以提高解決問題的效率。

3 傳動系NVH發(fā)展趨勢

3.1 混動車型傳動系NVH

混動系統(tǒng)需要在多種模式下進(jìn)行切換，尤其是混聯(lián)車型，涉及的模式切換最為復(fù)雜。在模式切換瞬間，系統(tǒng)所傳遞的扭矩會發(fā)生突變，從而會導(dǎo)致沖擊問題出現(xiàn)。沖擊類問題往往難以完全消除，只能通過優(yōu)化降到可以接受的程度。對混動傳動系進(jìn)行優(yōu)化分析，僅分析其NVH性能往往不能滿足工程實際需求，需要將NVH性能與駕駛性、動力性、經(jīng)濟性一并考慮進(jìn)來。同時考慮多種性能屬性，對傳動系NVH工程師來說具有一定挑戰(zhàn)性。

3.2 純電車型傳動系NVH

一體化、高速化、多檔化的電驅(qū)總成是發(fā)展趨勢。一體化的電驅(qū)總成，將是電磁、機械、齒輪嚙合激勵耦合作用的系統(tǒng)，需要在分析工具中同時考慮以上激勵。高轉(zhuǎn)速意味著齒輪的線速度更高，給分析齒輪嚙合狀態(tài)帶來了新的挑戰(zhàn)，同時，對測試臺架也提出了更高的要求。從提升NVH性能的角度對電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立NVH與標(biāo)定的關(guān)系，對提升電驅(qū)總成NVH性能具有重要意義。

3.3 NVH控制技術(shù)軟件化

人工智能技術(shù)在醫(yī)療、交通、工業(yè)制造等多個領(lǐng)域展示出了良好的應(yīng)用前景。汽車企業(yè)在向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，將人工智能技術(shù)與傳動系NVH控制技術(shù)相融合，從而實現(xiàn)傳動系NVH問題的自動識別。目前已有多家主機廠及汽車技術(shù)研發(fā)機構(gòu)在積極推動這項技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

4 結(jié)語

(1) 在傳動系工作過程中，可能會產(chǎn)生多種NVH問題，可以按照“源—路徑—響應(yīng)”思路對其產(chǎn)生機理進(jìn)行分析，找出主要影響因素。同時考慮性能平衡、成本等因素，從激勵源、傳遞路徑和響應(yīng)系統(tǒng)三個方面進(jìn)行優(yōu)化，找到問題的解決方案。

(2) 對傳動系NVH問題的研究可以分為試驗和仿真兩個方面。通過試驗既可以得到問題的特征并分析產(chǎn)生機理，又可以驗證解決方案的效果。仿真主要是為了分析系統(tǒng)的固有特性、強迫振動響應(yīng)以及關(guān)鍵參數(shù)靈敏度。采用仿真分析與試驗研究相結(jié)合的方式，可以更深入地揭示傳動系NVH問題的產(chǎn)生機理，為解決問題提供更多方案。

(3) 混合動力傳動系工作模式多樣，解決模式切換過程中帶來的沖擊問題具有挑戰(zhàn)性。電機高速化的發(fā)展趨勢，給純電動汽車傳動系NVH測試和仿真分析都帶來了挑戰(zhàn)。人工智能技術(shù)在多個領(lǐng)域都起到了良好的作用，推進(jìn)人工智能技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)融合，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為軟件，也是傳動系NVH控制技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。