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手動變速器敲擊噪聲試驗技術(shù)研究
2021-12-03 09:18:36· 來源：汽車NVH云講堂
[摘要]齒輪敲擊噪聲是由于發(fā)動機扭振引起變速器內(nèi)非承載嚙合齒輪副的沖擊導(dǎo)致的，是手動和雙離合變速器噪聲的重要特征之一。本文基于一臺前驅(qū)手動變速器和傳動系
[摘要]齒輪敲擊噪聲是由于發(fā)動機扭振引起變速器內(nèi)非承載嚙合齒輪副的沖擊導(dǎo)致的，是手動和雙離合變速器噪聲的重要特征之一。本文基于一臺前驅(qū)手動變速器和傳動系NVH試驗臺，通過驅(qū)動測功機模擬發(fā)動機的扭矩波動，研究不同激勵幅值及不同激勵頻率下的變速器敲擊噪聲特征，并分析了不同檔位和不同油溫對敲擊噪聲的影響，為動力傳動系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，具有很強的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：齒輪敲擊，手動變速器，扭振，振動噪聲試
1 齒輪敲擊噪聲原理
根據(jù)發(fā)動機原理可知，發(fā)動機在工作時產(chǎn)生的燃燒爆發(fā)壓力推動活塞做往復(fù)慣性運動及曲柄連桿機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致發(fā)動機輸出扭矩呈現(xiàn)周期性變化，此時曲軸的實際特征為旋轉(zhuǎn)方向的不穩(wěn)定。而該轉(zhuǎn)速波動經(jīng)過飛輪離合器傳遞到變速器齒輪軸系上的每對嚙合齒輪，由于空套齒輪的旋轉(zhuǎn)沒有任何約束，且齒輪副存在一定的側(cè)隙，因此在特定的條件下齒輪會產(chǎn)生碰撞而產(chǎn)生敲擊噪聲。齒輪敲擊表現(xiàn)形式為連續(xù)單邊敲齒、連續(xù)雙邊敲齒和斷斷續(xù)續(xù)敲齒[1-4]。這些激勵力經(jīng)過軸和軸承傳遞至殼體產(chǎn)生振動并向周圍輻射噪聲，其特性為中高頻的寬頻帶噪聲。
評判齒輪是否發(fā)生敲擊關(guān)鍵是要看作用在空套齒輪上的拖曳力矩和空套齒輪自身慣性力矩的關(guān)系，有以下三種情況[1-2]：
（1）產(chǎn)生敲擊：
（2）敲擊臨界點
（3）不產(chǎn)生敲擊
式中Tdriven——空套齒輪的慣性力矩；J——空套齒輪的慣量；θ——空套齒輪轉(zhuǎn)角；Tdrag——作用在空套齒輪上的拖曳力
2 臺架試驗
2.1 試驗硬件
本次試驗是在動力傳動系半消聲室中進行，截止頻率50Hz，振動噪聲試驗臺為四驅(qū)五電機結(jié)構(gòu)，可滿足兩驅(qū)和四驅(qū)的動力傳動系的NVH試驗，其中驅(qū)動測功機具備高速正弦波發(fā)生器功能（HSSWG）最高激勵頻率為200Hz，能夠模擬不同幅值以及不同激勵頻率下的發(fā)動機扭矩波動，如圖1所示。也可用公式2-1表達[1]
式中T——驅(qū)動測功機輸出扭矩；Tm——驅(qū)動測功機輸出扭矩的平均分量；Td——驅(qū)動測功機輸出扭矩的動態(tài)分量；f——激勵頻率。
2.2 試驗方案
本次試驗為帶有飛輪離合器組件的前驅(qū)6檔手動變速器，最大設(shè)計扭矩260Nm。NVH試驗臺選擇橫置前驅(qū)三個測功機結(jié)構(gòu)，驅(qū)動測功機通過一個低慣量高剛度的驅(qū)動法蘭與飛輪連接在一起?？紤]變速器在整車上的實際使用工況，試驗在2檔～6檔之間進行。分別在變速器的左、前、后、上（整車坐標系，發(fā)動機艙為前方）1米的位置布置4個傳聲器，同時在殼體上布置1個三向振動加速度傳感器。試驗工況見表1。為研究不同激勵頻率的影響，在3檔時還進行了1.5階激勵的試驗。
需要注意的是T不能超過所測試變速器的最大設(shè)計扭矩值，Tm和Td的確定應(yīng)綜合考慮變速器的承載能力和飛輪端扭振的需求值，用Td的最大值根據(jù)公式2-2可以預(yù)估驅(qū)動測功機輸出端的最大角加速度。不帶飛輪離合器時變速器輸入軸可以得到更大的角加速度，此時的Isum包括驅(qū)動測功機和驅(qū)動法蘭。
式中Isum——驅(qū)動部件慣量總和，包括驅(qū)動測功機、飛輪、離合器和驅(qū)動法蘭；
θ1——驅(qū)動測功機輸出端轉(zhuǎn)角
2.3 試驗
在進行試驗之前，首先研究了潤滑油溫度對敲擊測試結(jié)果的影響。在變速器殼體上方10cm位置布置一個近場傳聲器，振動傳感器的布置與2.2試驗方案中的相同。驅(qū)動測功機以Tm=100Nm?，Td=±50Nm，轉(zhuǎn)速從1000rpm升至3000rpm，激勵階次為2階的工況運行，即用一個工況評估1000rpm～3000rpm之間每個轉(zhuǎn)速下的變速器敲擊噪聲水平，提高試驗效率。圖2是油溫30°C和80°C兩個狀態(tài)下殼體近場噪聲的對比，圖3是油溫68°C和80°C兩個狀態(tài)下殼體近場噪聲的對比?？梢悦黠@看到在2000rpm以上的600～2000Hz范圍內(nèi)，30°C和80°C的噪聲能量存在一定差別，而68°C和80°C在這一區(qū)域內(nèi)能量比較接近。該區(qū)域表征的正是敲擊噪聲能量。
圖4表明的是在不同油溫下記錄的殼體Z向振動加速度，很直觀的得到隨著潤滑油溫度的上升，變速器殼體的振動加速度在變大，且在2500rpm～3000rpm之間不同油溫下的振動加速度的差異變得更加顯著。當油溫超過58°C時，油溫對殼體Z向振動的影響變小。圖2～圖4的分析結(jié)果證明了潤滑油溫對變速器振動噪聲水平密切關(guān)聯(lián)，油溫越高，振動幅值越高，其原因是油溫升高導(dǎo)致潤滑油粘度降低，箱體內(nèi)系統(tǒng)阻尼減小使得作用在從動齒輪上的拖曳力矩降低，根究本文公式1-1、1-2和1-3可知，敲擊臨界點也隨之降低，從而使敲擊能量變大[2,4]。根據(jù)以上分析，敲擊噪聲試驗過程中油溫范圍在60°C～80°C之間敲擊能量差異較小，本次試嚴格參照此油溫范圍進行。
3 數(shù)據(jù)分析
齒輪敲擊噪聲表現(xiàn)為中高頻的寬頻帶特性，參考圖2和圖3，本次試驗噪聲數(shù)據(jù)處理方式確定為帶通濾波500～6000Hz，單位為dB（A），并將4個噪聲測點進行1米平均聲壓級計算。扭振數(shù)據(jù)處理為2階和1.5階，階次帶寬為0.5階，單位為rad/s2。噪聲和扭振均采用RMS值。
處理完所有檔位每個轉(zhuǎn)速工況下的1米平均聲壓級和測功機輸出的角加速度值之后，可以得到如圖5～圖10的每個檔位下的變速器敲擊噪聲靈敏度曲線（轉(zhuǎn)速取樣間隔為200rpm），進一步加入轉(zhuǎn)速后，變成如圖11～圖16的敲擊噪聲靈敏度MAP圖。將變速器及其飛輪離合器作為一個傳動系組件看待，此MAP圖有以下幾項功能[5]：
（1）與任何同類傳動系組件的敲擊噪聲MAP圖進行橫向?qū)Ρ龋?/span>
（2）傳動系組件本身各檔位敲擊靈敏度作比較，為個別工況做優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和優(yōu)化目標；
（3）對匹配發(fā)動機的扭振提出設(shè)計要求，若在變速器輸入軸上打孔監(jiān)控輸入軸的扭振，可對離合器或雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)特性進行分析研究。
結(jié)合圖5、圖6、圖11和圖12分析，每個轉(zhuǎn)速下的1米平均聲壓級水平接近，且變化趨勢一致。這是由于??和??沒有改變，??1并沒有改變，驅(qū)動測功機的激勵力沒有發(fā)生變化，因此對傳動系組件施加不同的激勵頻率對敲擊噪聲幾乎沒有影響。根據(jù)圖7～圖16可知：（1）在1400rpm以下且激勵幅值低于200rad/s2的區(qū)域，2檔噪聲靈敏度很高，3檔次之，而4檔（含）以上噪聲在該區(qū)域內(nèi)不靈敏；（2）在2200rpm（含）以上，6檔整體噪聲水平比其他檔位明顯增大，且在200rad/s2～400rad/s2之間噪聲靈敏度較高；（3）在所有檔位下，800rpm～2000rpm之間各轉(zhuǎn)速之間的噪聲水平差異明顯，800rpm與2000rpm約有10dB（A）的差異，而2000rpm以上，隨著轉(zhuǎn)速的升高噪聲水平增大趨勢變小。
4 結(jié)論與展望
（1）應(yīng)根據(jù)變速器最大設(shè)計扭矩選擇合適的Tm和Td，目的是確保?在小于變速器最大設(shè)計扭矩的同時，還能滿足變速器需要的扭振，可通過公式2-2進行估算；
（2）不同的潤滑油溫度對敲擊噪聲結(jié)果有顯著影響，油溫越高，振動幅值越高，輻射噪聲越大，其原因是油溫升高導(dǎo)致潤滑油粘度降低，箱體內(nèi)系統(tǒng)阻尼減小使得作用在從動齒輪上的拖曳力矩降低，根究本文公式1-1、1-2和1-3可知，敲擊臨界點也隨之降低，從而使敲擊能量變大；
（3）僅改變激勵頻率而不改變動態(tài)激勵幅值，對變速器敲擊噪聲影響很??；
（4）敲擊噪聲水平隨著激勵幅值的增大和轉(zhuǎn)速的升高而增大，且在不同的幅值區(qū)間靈敏度也不盡相同，檔位越低，低轉(zhuǎn)速低激勵幅值區(qū)域靈敏度越高。所有檔位下中低轉(zhuǎn)速區(qū)（2000rpm以下）各轉(zhuǎn)速之間的噪聲水平差異明顯，中高轉(zhuǎn)速區(qū)隨著轉(zhuǎn)速的升高噪聲水平增大的趨勢變小；
（5）若是不帶飛輪離合器的結(jié)構(gòu)，由于慣量小了很多，且扭振可直接傳遞到變速器輸入軸，因此輸入軸可得到更大的扭振，結(jié)合發(fā)動機和離合器的扭振特性，可用來評估是否需要使用雙質(zhì)量飛輪。但扭振同樣需要估算，不要超過驅(qū)動測功機和變速器允許最大角加速度極限；
（6）若將變速器的空套齒輪都打孔，用磁電傳感器監(jiān)控每一個空套齒輪的轉(zhuǎn)速，通過數(shù)據(jù)處理得到扭振，這樣可更直觀的看到每一對齒輪副的敲擊靈敏度，易于分析每個工況下噪聲敲擊靈敏度與哪一對齒輪副關(guān)聯(lián)度更高；
（7）若能與仿真相結(jié)合，結(jié)論將更具說服力.
作者：高輝1，張廣秀1，王永超1，王東11
作者單位：中國汽車技術(shù)研究中心
來源：2017汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集
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