摘要:以某混動雙離合自動變速器(dualclutchtransmission,DCT)2擋電驅(qū)動模式齒輪嘯叫噪聲為研究對象,采用動態(tài)激勵力及聲輻射仿真方法分析嘯叫產(chǎn)生原因,確定嘯叫噪聲主要由齒輪激勵過大及逆變器殼體共振引起;優(yōu)化改進DCT電機齒輪齒數(shù)、齒輪模數(shù)和逆變器殼體,將DCT電機齒輪齒數(shù)從20提高到25,將齒輪模數(shù)從1.7降低到1.4,逆變器殼體增加環(huán)形加強筋。對改進后的齒輪進行仿真和臺架及整車噪聲測試。仿真結(jié)果表明:優(yōu)化后齒輪動態(tài)激勵力幅值降低58%,單位激勵下逆變器殼體噪聲降低約5~10dB。臺架噪聲測試表明:優(yōu)化后DCT噪聲滿足限值要求,噪聲降低約10dB。整車噪聲測試表明:優(yōu)化后整車噪聲基本滿足限值要求,主觀評價無嘯叫。動態(tài)激勵力仿真及聲輻射仿真相結(jié)合的方法對解決齒輪電驅(qū)動模式嘯叫問題具有理論研究和實用價值。

關(guān)鍵詞:混動變速箱;電驅(qū)動模式;齒輪嘯叫;激勵力;聲輻射

0 引言近年來隨著人們對高舒適度的追求,汽車噪聲、振動、聲振粗糙度(noisevibrationharshness,NVH)性能日益得到重視,變速器噪聲越來越受到關(guān)注[1-2]。近幾年,我國頒布了雙積分和五階段油耗政策,推行低油耗車,促進了混動變速器的開發(fā)?；靹幼兯倨鞴ぷ髂Ｊ捷^多,主要有純電模式、發(fā)動機模式以及混動模式[3]?；旌蟿恿ζ囋诩冸娔Ｊ较滦旭倳r,由于沒有內(nèi)燃機噪聲的掩蔽效應(yīng),驅(qū)動電機噪聲和傳動系統(tǒng)噪聲極易被用戶感知,尤其是變速器噪聲,這對混動變速器NVH性能開發(fā)提出更高的要求。本文中以混動雙離合自動變速器(dualclutchtransmission,DCT)2擋電驅(qū)動模式齒輪嘯叫噪聲為研究對象,運用仿真手段,從齒輪動態(tài)嚙合力和聲輻射2個方面進行剖析,形成一套解決電驅(qū)動模式齒輪嘯叫問題仿真分析方法,對指導齒輪嘯叫問題解決具有理論研究和實用價值。

1 齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生機理及故障描述

1.1 產(chǎn)生機理

齒輪嘯叫噪聲是變速器在齒輪動態(tài)激勵作用下引起殼體振動產(chǎn)生的輻射噪聲。影響齒輪嘯叫的因素一般有2個:剛度(含嚙合剛度和支持剛度等)和齒輪承載載荷[4-7]。在齒輪嚙合過程中,剛度變化不可避免地產(chǎn)生傳遞誤差波動,它作為一種動態(tài)激勵源直接導致齒輪在受載時產(chǎn)生激勵力波動,激勵力波動激起變速器相關(guān)結(jié)構(gòu)振動,振動的低頻區(qū)域通過懸置傳遞,而振動高頻區(qū)域通過聲輻射傳遞,最終被駕駛員感知。齒輪嘯叫由傳遞載荷的齒輪產(chǎn)生,具有明顯的階次特征,變速器殼體固有模態(tài)被激勵共振后表現(xiàn)更明顯。從上述齒輪嘯叫產(chǎn)生機理可知,動態(tài)激勵力和殼體輻射是變速器齒輪嘯叫的主因。

1.2 故障描述在某DCT開發(fā)過程中,車輛主觀駕評純電驅(qū)動模式存在某階齒輪嘯叫。對整車噪聲進行測試,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,在頻率為2200Hz附近,整車噪聲超出對應(yīng)的限值,引起駕駛?cè)酥饔^抱怨。相同工況下,DCT臺架噪聲測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,在2200Hz附近噪聲也超標。

根據(jù)整車及臺架測試結(jié)果,初步判定2200Hz附近的噪聲主要由變速器本體噪聲引起。為了進一步分析噪聲產(chǎn)生原因,對問題點進行動態(tài)激勵力仿真和聲輻射仿真分析。

2 動態(tài)激勵力分析2.1 理論分析用齒輪動態(tài)嚙合力F表示動態(tài)激勵力,即一對嚙合齒輪在傳遞誤差下的嚙合力響應(yīng)可表示為傳遞誤差激勵與動態(tài)嚙合剛度的乘積,其簡化計算公式[8]為:

式中:Amp為主動齒與從動齒合成幅值,m/N;Amp1為主動齒輪動柔度幅值,m/N;ω為角速度,rad/s;α1為主動齒輪動柔度相位,°;Amp2為被動齒輪動柔度幅值,m/N;α2為被動齒輪動柔度相位,°;Kc為齒輪對嚙合靜剛度,N/m;TE為傳遞誤差,μm。齒輪嚙合剛度通常與齒輪輪輻結(jié)構(gòu)、支撐剛度及輪齒厚度等有關(guān),傳遞誤差的影響因素有齒輪重合度、微觀修形和系統(tǒng)剛度,因此,可以從這些因素著手優(yōu)化動態(tài)激勵力。

2.2 仿真分析DCT動態(tài)激勵力仿真模型應(yīng)包含變速器殼體、軸齒系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、電機系統(tǒng)4部分,如圖3所示。對混動變速器測試樣機進行微觀參數(shù)檢測,將檢測的參數(shù)輸入到動態(tài)激勵力仿真模型,同時根據(jù)實際問題點工況,對動態(tài)激勵力進行仿真計算,結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,齒輪動態(tài)激勵力在2200Hz附近存在峰值,與整車噪聲測試結(jié)果一致,齒輪激勵過大。

3 聲輻射仿真分析

1500Hz以下的變速器噪聲主要來自結(jié)構(gòu)振動傳遞,1500Hz以上的變速器噪聲主要以空氣噪聲為主,而混動變速器嘯叫噪聲頻率為2200Hz,主要通過聲輻射產(chǎn)生,因此需要對其進行聲輻射仿真分析。聲傳遞向量是聲場中某點的聲壓與模型振動之間函數(shù)關(guān)系,而振動是激勵與模態(tài)的乘積[9],所以需要在激勵仿真、總成模態(tài)仿真的基礎(chǔ)上進行聲輻射仿真。

3.1 激勵力根據(jù)齒輪嘯叫傳遞特性,激勵力可以通過施加軸承激勵力、齒輪嚙合力和齒輪齒面位移3種方式獲得。相關(guān)研究顯示[10],施加軸承力和齒輪齒面位移得到的激勵力基本相同,且施加軸承力與實際測試結(jié)果比較接近,因此提取各軸承座軸承激勵力如圖5所示。

3.2 模態(tài)分析模型DCT模態(tài)分析模型包含變速器殼體、變速器軸系系統(tǒng)、變速器其他重要部件(如換擋器、液壓控制系統(tǒng)及電機部分等)等,如圖6所示。在Hypermesh軟件中采用rbe2(剛性連接單元)-CBAR(桿單元)-rbe2模擬螺栓,采用CBAR模擬螺桿[10-12],螺栓簡化模型如圖7所示。軸承模型中采用CBUSH(彈簧單元)模擬軸承剛度,軸承簡化模型如圖8所示。仿真分析需考慮齒輪嚙合剛度以及各附件的質(zhì)量。

 3.3聲學網(wǎng)格模型及場點設(shè)置根據(jù)聲音傳播速度及最高頻率確定聲學網(wǎng)格大小,聲學網(wǎng)格采用全封閉的四邊形網(wǎng)格,如圖9所示。參照臺架消聲室麥克風位置設(shè)置分析模型的場點位置,如圖10所示。

場點聲壓仿真計算與試驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,在問題點(2200Hz)仿真與試驗峰值基本對應(yīng)。DCT振動云圖如圖12所示。由圖12可知,DCT振動最大區(qū)域為電機逆變器殼體。

對逆變器殼體包裹后進行臺架噪聲測試,結(jié)果如圖13所示。由圖13可知,嘯叫問題點噪聲降低7dB左右。

根據(jù)上述動態(tài)嚙合力和聲輻射仿真結(jié)果可知,DCT嘯叫噪聲主要由齒輪激勵過大及逆變器殼體共振引起。

4 優(yōu)化及驗證

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化針對DCT嘯叫噪聲產(chǎn)生原因,從激勵源和傳遞路徑方面進行優(yōu)化,降低其嘯叫噪聲。1)根據(jù)動態(tài)激勵力理論,動態(tài)激勵力隨傳遞誤差的降低而減小。因此將DCT電機齒輪齒數(shù)從20增加到25,同時將齒輪模數(shù)從1.7降低到1.4,提高齒輪重合度,降低傳遞誤差。2)對逆變器殼體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,增加環(huán)形加強筋,優(yōu)化前、后逆變器殼體結(jié)構(gòu)如圖14所示。

4.2 仿真及試驗驗證對優(yōu)化后的DCT按同樣方法進行激勵力仿真和噪聲仿真分析。電機齒輪動態(tài)激勵力優(yōu)化前、后仿真對比如圖15所示,逆變器殼體(單位激勵下)優(yōu)化前后噪聲仿真對比如圖16所示。由圖15可知,相比優(yōu)化前,優(yōu)化后齒輪動態(tài)激勵力幅值降低58%。由圖16可知,單位激勵下,逆變器殼體問題點(2200Hz) 進行DCT臺架噪聲測試和整車噪聲測試,結(jié)果如圖17、18所示。

由圖17可知:優(yōu)化后DCT噪聲滿足限值要求,且問題點(2200Hz)的噪聲降低約10dB。由圖18可知,優(yōu)化后整車噪聲基本滿足限值要求,主觀評價無嘯叫。

5 結(jié)論1)采用動態(tài)激勵力仿真及聲輻射仿真方法分析DCT電機齒輪嘯叫問題產(chǎn)生原因,確定DCT嘯叫噪聲主要由齒輪激勵過大及逆變器殼體共振引起。2)將DCT電機齒輪齒數(shù)從20提高到25,同時將齒輪模數(shù)從1.7降低到1.4,提高齒輪重合度,降低傳遞誤差,逆變器殼體增加環(huán)形加強筋。優(yōu)化后齒輪動態(tài)激勵力幅值降低58%;單位激勵下逆變器殼體問題點(2200Hz)的噪聲降低約5~10dB。臺架噪聲測試表明,優(yōu)化后DCT噪聲滿足限值要求,問題點噪聲降低約10dB。整車噪聲測試表明,優(yōu)化后整車噪聲基本滿足限值要求,主觀評價無嘯叫。3)動態(tài)激勵力仿真與聲輻射仿真相結(jié)合的方法可快速確定齒輪嘯叫原因,進行有針對性地優(yōu)化,解決齒輪嘯叫問題,具有理論研究和實用價值。作者：余春祥,湯天寶,胡軍峰,呂品,周曉強,彭國民,羅義建作者單位：寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司,浙江寧波315336

來源：內(nèi)燃機與動力裝置