袁理 徐中明 袁瓊 郭能

摘要：汽車變速器噪聲對(duì)汽車聲學(xué)舒適性具有較大影響，而嘯叫是其主要噪聲之一。文章對(duì)變速器嘯叫的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，分析了嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)變速器嘯叫的研究和產(chǎn)生機(jī)理，提出了三種控制變速器嘯叫的措施。

關(guān)鍵詞：變速器嘯叫 研究現(xiàn)狀 機(jī)理

1 概述

隨著人們生活質(zhì)量水平的提高，消費(fèi)者越來(lái)越重視汽車聲學(xué)舒適性，作為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)主要組成部分的汽車變速器，噪聲是車輛聲品質(zhì)的重點(diǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一，變速器研制工作的核心內(nèi)容之一就是控制變速器的噪聲，尤其是控制變速器的嘯叫。

變速器的噪聲分為敲擊和嘯叫兩種，變速器敲擊主要是由于變速器輸入端扭矩波動(dòng)引起非承載齒輪輪嚙合沖擊產(chǎn)生。變速器嘯叫是由于齒輪系統(tǒng)嚙合過(guò)程中齒對(duì)的傳遞誤差而產(chǎn)生，變速器嘯叫易于被用戶感知，具有如下的明顯特征：

第一，與齒數(shù)等相關(guān)且具有明顯的階次特征。

第二，由工作承載齒輪對(duì)產(chǎn)生。

第三，有可能出現(xiàn)在中高頻和較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

第四，嘯叫在箱體的固有模態(tài)被激勵(lì)共振后表現(xiàn)更為顯著。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)變速器噪聲的控制研究較多[1-12]，對(duì)于導(dǎo)致變速器嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理性研究，Tadashi TAKEUCHI，Sarah Curtis[3-4]等人開(kāi)展了深入細(xì)致的研究工作，他們對(duì)引起齒輪嚙合激勵(lì)的傳遞誤差產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行了理論剖析，利用專業(yè)軟件建立了傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞誤差CAE計(jì)算模型和數(shù)值預(yù)測(cè)及優(yōu)化方法，搭建了專門的傳遞誤差測(cè)量臺(tái)架進(jìn)行驗(yàn)證，為在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行嘯叫預(yù)測(cè)及激勵(lì)源優(yōu)化找到了有效的方法和工具。Andrew Smith[5]研究了行星齒輪系統(tǒng)中各種變形和間隙對(duì)傳遞誤差的影響，特別是深入研究對(duì)比了行星齒輪銷的徑向、周向、傾斜位置誤差對(duì)傳遞誤差的影響，得到了圓周方向的傾斜相對(duì)其它方向影響更大的結(jié)論。Zdenek Neusser[6-9]等人為了預(yù)測(cè)齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合特性建立了齒輪接觸多體動(dòng)力學(xué)模型，比較了不同詳細(xì)程度的齒輪接觸模型的仿真結(jié)果對(duì)比，并搭建了雙電機(jī)齒輪嚙合特性測(cè)量臺(tái)架進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)構(gòu)聲輻射理論隨著現(xiàn)代聲學(xué)理論的發(fā)展得到了巨大的發(fā)展，同時(shí)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)表面噪聲輻射的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。近些年，國(guó)外一些工程師鑒于結(jié)構(gòu)聲輻射理論應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)降噪研究的成功也將其引入了變速箱的降噪研究中[10-12]。目前我國(guó)也開(kāi)始對(duì)基于變速器箱體表面噪聲輻射進(jìn)行研究。

從原理上，輻射數(shù)值法分為離散方法（有限元法、邊界元法和無(wú)限元法）和能量方法（統(tǒng)計(jì)能量法和能力有限元法）。對(duì)結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的仿真主要基于聲輻射數(shù)值方法重構(gòu)結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)，目前基于邊界元理論主要采用最小二乘法對(duì)結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。

此外，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，國(guó)外工程師提出了一些新的研究方法并開(kāi)發(fā)了一些相應(yīng)軟件，其中有些已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用并取得良好的效果。

LMS Virtual Lab軟件由于能夠?qū)涨坏穆晥?chǎng)分布和聲學(xué)載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，因此具有十分強(qiáng)大的功能，它是比利時(shí)的LMS公司開(kāi)發(fā)的全球聲振設(shè)計(jì)和優(yōu)化的先驅(qū)。計(jì)算得到的結(jié)果包括：聲壓、輻射功率、質(zhì)點(diǎn)速度、聲強(qiáng)、板塊貢獻(xiàn)量、能量密度、聲振靈敏度等，尤其是在聲學(xué)有限元求解器做外場(chǎng)聲學(xué)分析方面（如發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射）發(fā)展的FEM PML/AML技術(shù)都取得了突破性的進(jìn)展，從而快速幫助噪聲控制工程師優(yōu)化產(chǎn)品的聲振特性。

德國(guó)的HEAD公司長(zhǎng)期研究人工頭，其開(kāi)發(fā)的雙耳采集系統(tǒng)完成模擬人耳的特征，在主觀評(píng)價(jià)噪聲方面發(fā)揮了有利的作用。此外，將Artimis軟件應(yīng)用于聲音回訪和階次互動(dòng)濾波兩項(xiàng)功能，能夠更加容易地辨識(shí)噪聲源，因此，此軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

對(duì)于變速器嘯叫的產(chǎn)生和控制研究，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者也作了大量的研究總結(jié)[13-22]。文獻(xiàn)[17]通過(guò)振動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)識(shí)別出產(chǎn)生嘯叫的主要激勵(lì)源是齒輪副的嚙合沖擊，提出通過(guò)減小側(cè)隙、增大重合度、輪齒的微觀修形等對(duì)齒輪副進(jìn)行優(yōu)化，以降低變速器由于齒輪產(chǎn)生的嘯叫聲音。文獻(xiàn)[18]提出齒輪在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中所受的激振力是產(chǎn)生齒輪噪聲的根本原因，并分析了齒輪宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)、齒輪精度、齒輪工作條件對(duì)噪聲的影響。文獻(xiàn)[20]提出根據(jù)機(jī)理的不同，齒輪系統(tǒng)中可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種，且由于齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)各零部件產(chǎn)生振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過(guò)齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來(lái)的自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源，并從齒輪設(shè)計(jì)、齒輪加工、輪系及齒輪箱裝配、輸入扭矩等方面探討了對(duì)齒輪噪聲的影響程度和減噪控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。文獻(xiàn)[23]結(jié)合工作實(shí)際，對(duì)齒輪剃齒加工修形工序控制進(jìn)行了摸索，通過(guò)齒輪輪齒的齒向和齒形修形明顯改善了齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，并通過(guò)對(duì)齒輪輪齒的齒頂和齒根的修緣，有效地改善了齒輪的嚙合性能，降低了齒輪的噪聲和振動(dòng)，延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。NSK中國(guó)技術(shù)中心的專家[13]提出變速器軸承固有的振動(dòng)噪聲特性將影響變速器的嘯叫表現(xiàn)，軸承類型、軸承支承剛度、軸承預(yù)緊等都對(duì)變速器嘯叫有明顯作用。

文獻(xiàn)[24]采用有限元和邊界元聯(lián)合的方法，在變速器仿真技術(shù)方面分析研究了變速器箱體的輻射噪聲和箱體受到的激勵(lì)載荷。然后進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)有限元的數(shù)值仿真計(jì)算并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最后將振動(dòng)的有限元計(jì)算結(jié)果作為箱體邊界元模型的邊界條件進(jìn)行噪聲輻射的數(shù)值仿真計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)該箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的加筋強(qiáng)化，結(jié)果表明，進(jìn)行加筋處理后的箱體噪聲輻射能得到有效的抑制。

4 變速器嘯叫聲產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)于變速器嘯叫的控制和優(yōu)化工作，主要集中在變速器本體和整車傳遞路徑的振動(dòng)和噪聲特性研究上。通過(guò)利用仿真和試驗(yàn)工具進(jìn)行分析優(yōu)化，降低變速器各擋所含階次的振動(dòng)和噪聲水平，最終達(dá)到提升變速器嘯叫性能的目的。

根據(jù)變速器噪聲產(chǎn)生機(jī)理分類，均為變速器齒輪箱內(nèi)部嚙合激勵(lì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。根據(jù)車內(nèi)感知的變速器階次噪聲的傳播途徑，一般又可以分為直接傳入車內(nèi)的空氣輻射嘯叫噪聲和通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞路徑傳入車內(nèi)的結(jié)構(gòu)嘯叫噪聲兩方面。前者由變速器齒輪箱內(nèi)齒輪嚙合激勵(lì)通過(guò)齒輪軸系將振動(dòng)能量傳遞到殼體表面，變速器殼體表面的振動(dòng)帶動(dòng)氣體分子的振動(dòng)以縱波的形式傳遞到車內(nèi)；后者則是將變速器殼體表面的振動(dòng)通過(guò)懸置、拉索等結(jié)構(gòu)傳遞路徑，將振動(dòng)傳給車身、車內(nèi)面板件向車內(nèi)輻射噪聲。另外還有一種可能性是變速器內(nèi)部齒輪對(duì)嚙合時(shí)直接發(fā)聲，并直接通過(guò)空氣傳入車內(nèi)，但實(shí)際情況中齒輪箱體是一個(gè)較厚實(shí)的隔聲密閉系統(tǒng)，此部分直接嚙合聲傳入車內(nèi)的可能性或貢獻(xiàn)量很小。圖1給出了變速器嘯叫噪聲產(chǎn)生及傳播路徑。

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5 總結(jié)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)變速器嘯叫聲的研究和變速器嘯叫噪聲產(chǎn)生及傳播原理，若要對(duì)變速器的嘯叫噪聲進(jìn)行控制，可以分別或綜合采用以下措施：

措施一：降低變速器齒輪嚙合激勵(lì)（輸入）。如通過(guò)優(yōu)化軸系布置、提高齒輪軸系剛度、調(diào)整齒輪宏觀和微觀參數(shù)，降低齒輪傳遞誤差，使齒輪嚙合力盡量小且波動(dòng)幅值小。

措施二：優(yōu)化變速器結(jié)構(gòu)和懸置、拉索等部件（傳遞函數(shù)）。提高變速器結(jié)構(gòu)件剛度將系統(tǒng)的固有模態(tài)頻率移除激勵(lì)頻率范圍之外、增大結(jié)構(gòu)阻尼從而減小響應(yīng)幅值、消除振動(dòng)傳遞通道或改善整車傳遞路徑，如提高齒輪軸系剛度（增大直徑或加筋），提高聲輻射能力占主導(dǎo)的變速器殼體剛度（設(shè)計(jì)高剛度殼體骨架、增加零部件加強(qiáng)筋、增加螺栓連接）；或者對(duì)激勵(lì)振動(dòng)路徑作隔振減振處理，隔斷能量傳遞路徑或減小能量的傳遞。

措施三：隔聲優(yōu)化響應(yīng)。利用隔聲材料，阻斷部件表面振動(dòng)向大氣輻射噪聲。如發(fā)動(dòng)機(jī)艙吸聲綿、車內(nèi)內(nèi)飾吸聲件的使用。

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基金項(xiàng)目：

重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目cstc2012gg-yyjs60001資助。

作者簡(jiǎn)介：

袁理（1963-），男，重慶人，重慶科技學(xué)院副教授，雙學(xué)士學(xué)位，主要從事車輛工程的教學(xué)與研究。