盧 林， 王 東

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 黃岡 438002； 2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司， 天津 300300)

0 引 言

變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的核心部件，依靠擋位變化，可實(shí)現(xiàn)變速、變扭、中斷動力、倒退行駛等功能。傳統(tǒng)動力乘用車主要搭載手動變速器(MT)和自動變速器，其中自動變速器又分為電控機(jī)械自動變速器(AMT)、液力自動變速器(AT)、無級自動變速器(CVT)、雙離合自動變速器(DCT)以及機(jī)械式數(shù)學(xué)超環(huán)面無級變速器(IVT)。目前自主品牌乘用車主要匹配MT、AT和DCT。變速器直接承受來自發(fā)動機(jī)的激勵，可能產(chǎn)生嘯叫、敲擊、沖擊等多種NVH問題[1]。在售后反饋中，與變速器振動噪聲相關(guān)的投訴一直占有較大比例。因此，在新車型開發(fā)過程中，對變速器NVH性能進(jìn)行控制是必不可少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)研究變速器NVH問題產(chǎn)生機(jī)理和控制方法，對提升汽車駕乘舒適性有重要意義。

從檢索到的文獻(xiàn)看，已有眾多專家、學(xué)者對變速器嘯叫問題開展研究工作，但主要集中于對變速器本體或傳遞路徑進(jìn)行研究[2-6]，從整車角度對變速器嘯叫問題的測評方法、產(chǎn)生機(jī)理及解決思路進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少。本文針對某款縱置手動變速器存在的嘯叫問題，通過主、客觀相結(jié)合的評價(jià)方法，明確了問題工況，然后在分析其產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用仿真手段提出了可工程化的解決方案。

1 問題測試及分析

本文研究的是一款前置后驅(qū)MPV車型，搭載1.6 L直列4缸汽油機(jī)、6速手動變速器。首先，采用主觀評價(jià)與客觀測試相結(jié)合的方式，基于整車道路試驗(yàn)對嘯叫擋位及階次進(jìn)行確認(rèn)。然后，對變速器單體開展臺架測試，進(jìn)一步分析嘯叫產(chǎn)生原因。

1.1 主觀評價(jià)

由三名從事NVH工作五年以上的工程師，在試驗(yàn)跑道內(nèi)對樣車各擋位嘯叫表現(xiàn)進(jìn)行主觀評價(jià)，評分標(biāo)準(zhǔn)見表1，各擋位加速及滑行工況嘯叫評分結(jié)果見表2。

表1 嘯叫噪聲評分標(biāo)準(zhǔn)

表2 各擋位主觀評價(jià)結(jié)果

主觀評價(jià)結(jié)果表明，該車型在低擋位存在一定的嘯叫問題，結(jié)合實(shí)際駕駛過程中擋位使用情況，最終選定2擋滑行作為本次優(yōu)化分析的重點(diǎn)工況。

1.2 整車測試

變速器嘯叫問題，可以直接使用齒輪嚙合階次噪聲的聲壓級值作為評價(jià)指標(biāo)，也可以使用齒輪嚙合階次噪聲與總級或背景噪聲的差值作為評價(jià)指標(biāo)。本文選擇階次與總級的差值作為評價(jià)指標(biāo)。階次與總級差值評價(jià)方法的理論基礎(chǔ)是聲壓級疊加原則，疊加結(jié)果見表3。當(dāng)兩個(gè)聲壓級相差15 dB時(shí)，二者疊加后僅在較大聲壓級基礎(chǔ)上增加0.1 dB，即較小的聲壓級對總聲壓級貢獻(xiàn)微乎其微，因此，通常將階次與總級相差不小于15 dB作為評判有無嘯叫問題的客觀標(biāo)準(zhǔn)。

表3 聲壓級疊加附加值(單位：dB)

在車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳位置布置麥克風(fēng)，采集2擋滑行過程中車內(nèi)噪聲及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，測試結(jié)果如圖1所示，將2擋擋位齒輪嚙合階次聲壓級加上15 dB后，與噪聲總級進(jìn)行比較，可以觀察到，在整個(gè)滑行過程中，存在多處嚙合階次與總級差值小于15 dB，說明存在嘯叫問題，與主觀評價(jià)結(jié)果一致。

圖1 整車測試

1.3 臺架測試

為了進(jìn)一步分析2擋滑行工況變速器嘯叫問題產(chǎn)生的原因，依次在傳動系統(tǒng)NVH臺架上開展嚙合斑點(diǎn)和傳遞誤差(Transmission Error，TE)測試。嚙合斑點(diǎn)主要是用來分析齒輪嚙合狀態(tài)，嚙合狀態(tài)良好的齒輪副，嚙合斑點(diǎn)會居于齒面中部，且?guī)缀跽紳M整個(gè)齒面。開展嚙合斑點(diǎn)測試前，需要在待測齒輪表面涂抹耐高溫、不溶于潤滑油的涂料。本次測試時(shí)，首先使用煤油清理齒輪表面，烘干后，均勻涂抹金屬加工劃線油漆，置于通風(fēng)處干燥后裝箱，按照正常油量加注潤滑油，根據(jù)整車測試時(shí)從CAN總線讀取的發(fā)動機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速信息，設(shè)置測試工況，2擋從動齒輪反拖齒面嚙合斑點(diǎn)測試結(jié)果如圖2(a)所示。傳遞誤差是引起齒輪嘯叫問題的根本原因，其定義是從動齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值。測試過程中，在變速器輸入端和輸出端分別串入高精度編碼器，測試變速器總的傳遞誤差，再根據(jù)齒輪副嚙合的階次特性，利用傅里葉變換，計(jì)算得到各對齒輪副的傳遞誤差。將轉(zhuǎn)角差乘上基圓半徑可以得到位移傳遞誤差，2擋齒輪副在各扭矩工況下的傳遞誤差峰-峰值如圖2(b)所示。

圖2 臺架測試

觀察圖2可知，嚙合斑點(diǎn)位于齒面右側(cè)，存在明顯的偏載問題，滑行工況(負(fù)扭矩)傳遞誤差偏大，且明顯大于加速工況(正扭矩)。

綜合以上分析，對象變速器2擋擋位齒輪反拖齒面嚙合偏載、傳遞誤差偏大，存在明顯的嘯叫問題，需要優(yōu)化提升。

2 仿真建模及優(yōu)化

分析汽車NVH問題，通常按照“源-路徑-響應(yīng)”的思路，對于變速器嘯叫問題，激勵源主要是齒輪動態(tài)嚙合力，傳遞路徑主要是軸承和軸承座，響應(yīng)系統(tǒng)則是變速器殼體?？刂萍钤词墙鉀Q變速器嘯叫問題的根本途徑。通過宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)優(yōu)化，可以有效降低齒輪嚙合激勵。

2.1 宏觀參數(shù)優(yōu)化

重合度是衡量齒輪傳動質(zhì)量的指標(biāo)之一，其值為同時(shí)參與嚙合的輪齒對數(shù)的平均值，重合度越大，說明同時(shí)參與嚙合的輪齒對數(shù)越多，齒輪嚙合剛度變化越小，給系統(tǒng)引入的參數(shù)激勵也越小，傳動過程也就越平穩(wěn)。齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角等宏觀參數(shù)對重合度有重要影響。外嚙合斜齒輪副的重合度計(jì)算方法見式(1)。對象變速器各擋位重合度計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各擋位重合度

(1)

式中:ε為總重合度；εα為端面重合度；εβ為軸向重合度;z1、z2為齒數(shù)；α′為嚙合角；α1、α2為齒頂壓力角；b為齒寬；β為螺旋角；mn為法向模數(shù)。

對比可知，2擋總重合度小于其他擋位。通過分析齒輪設(shè)計(jì)圖發(fā)現(xiàn)，二擋主動齒齒寬小于從動齒齒寬，因此可以增加主動齒齒寬，從而提升重合度。具體修改方式為二擋主動齒齒寬增加1 mm(兩側(cè)各各增加0.5 mm)，軸向重合度由1.436變?yōu)?.501，總重合度由3.188變?yōu)?.253。

2.2 微觀參數(shù)優(yōu)化

齒輪偏載問題，可以通過優(yōu)化齒輪微觀修形方案進(jìn)行解決，主要調(diào)整的微觀參數(shù)包括齒形(鼓形量Cα、傾斜量fHα)和齒向(鼓形量Cβ、傾斜量fHβ)。根據(jù)嚙合斑點(diǎn)測試結(jié)果，可以大致知道微觀參數(shù)調(diào)整方向，驗(yàn)證過程中往往需要同時(shí)針對多種修形方案做樣件，效率較低。為了得到可量化的修形方案，本文建立了齒輪嚙合動力學(xué)仿真分析模型。模型包含齒輪、軸承、柔性殼體等部件，且模型中輸入的齒輪微觀參數(shù)通過齒面精測結(jié)果獲取，對于無法獲取的參數(shù)，采用DOE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))的方式確定。2擋主動齒輪反拖齒面嚙合斑點(diǎn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖3(a)、3(b)所示，二者基本一致，說明所建立的仿真模型是有效的，可以用于設(shè)計(jì)齒輪修形方案。利用仿真模型對原有齒輪修形方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的嚙合斑點(diǎn)如圖3(c)所示，嚙合斑點(diǎn)居中分布，且占滿大部分齒面，說明優(yōu)化后的齒輪副嚙合狀態(tài)良好。實(shí)際加工制造的齒輪與設(shè)計(jì)值難免會有偏差，為了確保變速器具有較為一致的嘯叫噪聲表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)修形方案時(shí)，需要考慮制造偏差，經(jīng)過容差分析后的修形方案見表5。

圖3 嚙合斑點(diǎn)對比

CαfHαCβfHβ主動齒3±30±6.53±35±7.5從動齒4±40±9.54±4-5±13

3 降噪效果驗(yàn)證

根據(jù)宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)優(yōu)化方案，制作3套樣件，通過齒面精測，選擇與優(yōu)化方案鍥合度最高的樣件裝箱進(jìn)行效果驗(yàn)證。首先在傳動系統(tǒng)NVH臺架上開展傳遞誤差測試，測試工況與優(yōu)化前保持一致，2擋擋位齒輪副傳遞誤差峰-峰值對比結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化后傳遞誤差明顯降低，全部扭矩工況下的傳遞誤差峰-峰值均小于1 um。

圖4 優(yōu)化前后傳遞誤差對比

將通過臺架驗(yàn)證的變速器裝配至整車上，在試驗(yàn)跑道內(nèi)對樣車2擋滑行工況嘯叫表現(xiàn)進(jìn)行客觀測試及主觀評價(jià)，麥克風(fēng)仍布置在駕駛員內(nèi)耳位置。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 效果驗(yàn)證

將2擋擋位齒輪嚙合階次聲壓級加上15 dB后，與噪聲總級進(jìn)行比較，可以觀察到，在整個(gè)滑行過程中，除個(gè)別轉(zhuǎn)速點(diǎn)外，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速下，嚙合階次與總級差值都大于15 dB，主觀評分從優(yōu)化前的5分升至6.5分，嘯叫噪聲明顯降低，說明優(yōu)化方案對解決齒輪嘯叫問題有效。

4 結(jié) 語

(1)嘯叫是變速器最常見的NVH問題之一，對車輛駕乘舒適性有重要影響。通過主觀評價(jià)的方式可以初步鎖定嘯叫問題工況，但由于個(gè)體對嘯叫噪聲的感受存在一定的差異性，因此采用主客觀相結(jié)合的方式，可以更完整地確認(rèn)嘯叫問題擋位、階次及轉(zhuǎn)速范圍。

(2)嚙合斑點(diǎn)和傳遞誤差是分析齒輪嘯叫成因過程中經(jīng)常需要開展的測試。使用金屬加工劃線油漆，通過細(xì)致地對齒面進(jìn)行處理，可以在加注潤滑的情況下開展斑點(diǎn)測試。位移傳遞誤差是微米級別的，需要高精度測試設(shè)備方能開展此項(xiàng)測試，否則傳遞誤差將被由測試設(shè)備精度不足帶來的誤差所淹沒。

(3)宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)同步優(yōu)化是解決齒輪嘯叫問題的有效途徑。優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)可以改變齒輪副重合度，進(jìn)而提升齒輪嚙合平穩(wěn)性。微觀修形可以改善齒輪嚙合偏載，但齒輪加工過程中存在偏差，因此修形方案需要考慮加工精度的影響。使用動力學(xué)仿真軟件，可以進(jìn)行容差分析，從而給出與加工精度匹配的修形方案。