徐麗梅，石月奎

引言

隨著汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)不再僅僅滿足結(jié)實(shí)耐用的一般需求，在舒適性特別是車(chē)內(nèi)噪聲方面已經(jīng)有了顯著的改善，怠速工況的車(chē)內(nèi)噪聲從幾年前的45-46 dB(A)已經(jīng)降低到現(xiàn)在42dB(A)左右，甚至有些已經(jīng)達(dá)到了40 dB(A)，要達(dá)到這個(gè)級(jí)別的聲壓級(jí)，懸置、進(jìn)排氣等系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響已經(jīng)很小，而動(dòng)力總成帶來(lái)的噪聲特別是怠速工況下變速箱的噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響已經(jīng)成為了主要影響因素。

對(duì)于匹配手動(dòng)變速箱的動(dòng)力總成來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將燃燒壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，即活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次才有一次點(diǎn)火，燃燒在氣缸中發(fā)生一次，這樣就產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)追求更好的動(dòng)力性，缸內(nèi)平均有效壓力也在不斷增大，這種扭矩波動(dòng)也越來(lái)越大。這一扭矩波動(dòng)經(jīng)過(guò)離合器傳送到變速箱，盡管有離合器的減振，但是手動(dòng)變速箱沒(méi)有高粘性阻尼的內(nèi)在液力變矩器[1]，所以無(wú)法消除變速箱的噪聲。

本文中所研究的MPV車(chē)型在怠速工況和勻速80km/h工況，駕駛員位置均能較明顯的聽(tīng)到來(lái)自變速箱的噪聲，通過(guò)優(yōu)化離合器剛度和阻尼、優(yōu)化傳遞路徑等方法，顯著降低了變速箱噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)特別是駕駛員位置影響。

1、變速箱齒輪噪聲產(chǎn)生的原因

根據(jù)產(chǎn)生原理的不同，變速箱齒輪噪聲可以分別嘯叫聲（Gear Whine)和敲擊聲（Gear Rattle）。

變速箱嘯叫聲一般是由傳遞力的那對(duì)齒輪副或者多對(duì)齒輪副間的傳動(dòng)誤差導(dǎo)致，由于齒輪的相互撞擊，傳遞力的齒輪會(huì)產(chǎn)生形變，再加上齒輪存在加工誤差和齒輪副間存在配合間隙，使得在齒輪副傳遞力的過(guò)程中不斷地產(chǎn)生撞擊，從而形成了嘯叫聲；其頻率范圍一般為中高頻，且具有階次性，同樣還會(huì)存在諧波，即存在一階、二階等成分；主階次的聲壓級(jí)一般較總聲壓級(jí)小 10dB(A)以上，但是由于其頻帶很窄且隨著轉(zhuǎn)速增加頻率也增加，因而聽(tīng)起來(lái)類(lèi)似口哨聲，所以很容易被人察覺(jué)并產(chǎn)生不適感[2][3]。

變速箱的敲擊噪聲通常是由不傳遞力的齒輪副導(dǎo)致的，表現(xiàn)為金屬和金屬之間的敲擊聲；由于齒輪副不傳遞力所以其在旋轉(zhuǎn)方向上沒(méi)有約束，很容易受到發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中扭矩波動(dòng)的影響產(chǎn)生敲擊；根據(jù)敲擊門(mén)檻值理論[4]，齒輪敲擊噪聲受驅(qū)動(dòng)力矩、阻滯力矩和慣性力矩三者影響，當(dāng)阻滯力矩小于慣性力矩時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生敲擊；其頻率一般為寬頻帶，通常會(huì)在某一轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生，一般會(huì)出現(xiàn)在低速區(qū)間，沒(méi)有階次性特點(diǎn)，聽(tīng)起來(lái)類(lèi)似“咔嗒”聲或者“嘩啦”聲。

2、傳遞路徑分析及驗(yàn)證

2.1 變速箱噪聲傳遞路徑分析

變速箱齒輪噪聲一般通過(guò)空氣和結(jié)構(gòu)兩種傳播方式傳遞到車(chē)內(nèi)，如圖 1。通過(guò)車(chē)身、車(chē)門(mén)等的孔洞和縫隙、車(chē)門(mén)密封條及地板等壁板直接傳入到車(chē)內(nèi)，是空氣聲傳播；通過(guò)換擋拉索、懸置支架、懸架等與車(chē)身的連接部件，引起車(chē)身壁振動(dòng)從而傳遞到車(chē)內(nèi)，是結(jié)構(gòu)聲傳播。

對(duì)于空氣聲來(lái)說(shuō)，通常采用的措施提高整車(chē)的隔性能，如提高車(chē)身的密封性能、提高車(chē)門(mén)密封條的接觸面積和采用隔吸聲性能更好的聲學(xué)包材料（特別是地板和防火墻等位置）等方法。

對(duì)于結(jié)構(gòu)聲來(lái)說(shuō)，通常采用傳遞路徑的分析法。對(duì)于變速箱噪聲來(lái)說(shuō)，變速箱作為激勵(lì)源，并通過(guò)懸置、拉索等多個(gè)路徑傳遞到車(chē)內(nèi)，每一個(gè)激勵(lì)分量和車(chē)內(nèi)的響應(yīng)都有一條傳遞路徑相關(guān)聯(lián)[5]。變速箱則通過(guò)某一條路徑的激勵(lì)而產(chǎn)生的車(chē)內(nèi)噪聲響應(yīng)可以表達(dá)為：

其中， Hi( ω)為該路徑的傳遞函數(shù)； Xi( ω)為某一激勵(lì)力的力譜。

如果有這樣的n條傳遞路徑，那么車(chē)內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)可表達(dá)為：

2.2 傳遞路徑查找及驗(yàn)證

本文所要研究的車(chē)型的動(dòng)力總成為縱置的布置形式，變速箱為帶有中間軸的5速變速箱（5個(gè)前進(jìn)檔和1個(gè)倒檔），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

各級(jí)齒數(shù)比見(jiàn)下表，

表1 變速箱各檔齒比

怠速工況時(shí)，駕駛員位置能夠明顯的聽(tīng)到“嘩啦嘩啦”的聲音和類(lèi)似吹口哨的聲音，當(dāng)踩下離合器踏板后此聲音消失，初步判斷是由于變速箱內(nèi)部齒輪或同步環(huán)等金屬件產(chǎn)生的；通過(guò)聲音回放可以斷定“嘩啦嘩啦”聲音的頻率為815Hz左右（圖3中1所圈部分）。

由于頻率較高首先懷疑是空氣聲傳播，對(duì)該車(chē)型進(jìn)行了超聲波泄露檢查，發(fā)現(xiàn)中通位置的泄漏較嚴(yán)重，且車(chē)身鈑金直接裸露，于是對(duì)此部位進(jìn)行了聲學(xué)處理，處理前后的對(duì)比見(jiàn)圖4。

處理后進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)“嘩啦”沒(méi)有明顯的變化，于是決定從結(jié)構(gòu)傳遞路徑查找根源，又排查了換擋拉索和變速箱懸置支架。通過(guò)測(cè)試變速箱懸置的隔振測(cè)試發(fā)現(xiàn)，變速箱懸置車(chē)身側(cè)在 840 Hz區(qū)間的振動(dòng)要明顯大于發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置，變速箱懸置車(chē)身側(cè)支架的振幅為 2.6 m/s2，發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置振幅為0.3 m/s2，其振動(dòng)對(duì)比見(jiàn)圖5。

為了進(jìn)一步確定800Hz左右的聲音是由變速箱懸置這條路徑傳遞到車(chē)內(nèi)的，對(duì)變速箱的變速箱側(cè)支架和車(chē)身側(cè)支架進(jìn)行了FRF（頻率響應(yīng)函數(shù)Frequency Response Function）的測(cè)試，傳感器布置方式和測(cè)試懸置隔振時(shí)相同，見(jiàn)圖6左側(cè)圖。

通過(guò)對(duì)比變速箱懸置的主被動(dòng)側(cè)支架頻率響應(yīng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同樣激勵(lì)下變速箱側(cè)支架對(duì)800Hz的響應(yīng)更大（圖7中紅色實(shí)線），為了降低變速箱側(cè)懸置支架的頻響特性，在支架上附加了約1000g的質(zhì)量塊（見(jiàn)圖6中的右側(cè)圖），再次對(duì)支架進(jìn)行了頻響函數(shù)的敲擊測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7種綠色虛線，通過(guò)和原狀態(tài)的響應(yīng)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)附加質(zhì)量后在800多Hz頻率段的響應(yīng)明顯降低，且在整個(gè)頻率段（0-1600Hz）沒(méi)有峰值存在，效果比較明顯。

為了驗(yàn)證效果，測(cè)試了附加質(zhì)量后怠速工況車(chē)內(nèi)噪聲，與最初狀態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在815Hz頻率附近的峰值有較明顯的下降，降低了近 10dB（A），同時(shí)主觀感覺(jué)“嘩啦”的聲音也基本感覺(jué)不到，說(shuō)明對(duì)變速箱懸置主動(dòng)的支架進(jìn)行附加質(zhì)量后可以有效降低變速箱敲擊聲從懸置支架這條路徑傳遞到車(chē)內(nèi)的能量。

3、離合器及齒輪優(yōu)化驗(yàn)證

怠速主觀評(píng)價(jià)時(shí)除了能聽(tīng)到“嘩啦”聲外，還存在一種類(lèi)似口哨的聲音，經(jīng)過(guò)聲音回放可以確定其頻率為261Hz左右（圖3中2號(hào)圈位置），同時(shí)該試驗(yàn)車(chē)在勻速80km/h行駛時(shí)，駕駛員右耳位置能聽(tīng)到更加明顯的口哨聲，其頻率為855Hz，其頻譜如圖9所示。

在怠速工況和五檔 80km/h勻速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為750rpm和2430rpm，則發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的基頻為：

f80km/h=ne/60=2430/60=40.5Hz變速器長(zhǎng)嚙合齒輪副的齒比為32:21，那么長(zhǎng)嚙合主動(dòng)齒在怠速工況和80km/h的勻速工況激勵(lì)頻率分別為：

f2=f80km/h*n=40.5*21=850.5Hz其中 n為長(zhǎng)嚙合齒輪副主動(dòng)齒數(shù)；f1和f2分別為怠速和勻速80km/h時(shí)主動(dòng)齒的激勵(lì)頻率。

通過(guò)對(duì)比f(wàn)1和圖3中2號(hào)圈位置的頻率、f2和圖9所圈位置的頻率基本吻合，可以斷定兩種工況聽(tīng)到的口哨聲均是由長(zhǎng)嚙合齒輪副中的主動(dòng)齒導(dǎo)致的。針對(duì)此問(wèn)題，首先對(duì)原車(chē)所配離合器的剛度（約為40Nm/o）進(jìn)行了調(diào)整，降低10%的剛度，同時(shí)增加約10%的阻尼，調(diào)整前后離合器的照片（彈簧由5圈減少到4圈），見(jiàn)圖10。

同時(shí)，對(duì)長(zhǎng)嚙合的齒輪進(jìn)行了齒輪的修形，盡可能的使齒面在傳遞力的過(guò)程中齒面壓力均勻，降低其傳遞誤差。實(shí)施這兩個(gè)措施后，怠速工況的測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖10，從colormap圖的對(duì)比可以明顯的看到，在260Hz頻帶的顏色明顯變淺，同時(shí)主觀感覺(jué)口哨聲基本消失。

從圖12的勻速80km/h測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以明顯的看到，800Hz頻率段的噪聲峰值降低了超過(guò) 10dB(A)，口哨聲已經(jīng)消失，車(chē)內(nèi)噪聲值也從原狀態(tài)的67.96 dB(A)降低到了65.68 dB(A)，主觀感覺(jué)已無(wú)明顯的變速箱嘯叫聲，效果較好。

通過(guò)降低離合器剛度增加阻尼的方法可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到變速箱的扭矩波動(dòng)，降低怠速工況下的變速箱噪聲；通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)嚙合齒輪的齒形，可以改善齒輪在嚙合過(guò)程中的接觸面，降低齒輪的傳遞誤差，從而降低齒輪的嘯叫聲。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)變速箱噪聲產(chǎn)生機(jī)理的分析，對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響主要通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞和空氣傳遞；

怠速工況下的變速箱敲擊聲更容易通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到車(chē)內(nèi)，需要特別關(guān)注換擋拉索和變速箱懸置支架等路徑；

通過(guò)聲音回放的方式可以較容易的判斷異響出現(xiàn)的頻率，并根據(jù)階次跟蹤的理論可以較快速的判斷產(chǎn)生嘯叫聲的齒輪副；

降低優(yōu)化離合器剛度、增大阻尼可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到變速箱的扭矩波動(dòng)；

優(yōu)化齒輪的齒形，保證齒輪在受力的過(guò)程中接觸面受力均勻，降低傳遞誤差可以有效地改善齒輪的嘯叫聲。

[1] M.Y Wang，R.Manoj，W.Zhao，汽車(chē)手動(dòng)變速箱的齒輪敲擊模擬和分析 [J]，傳動(dòng)技術(shù)，2002，16（4），27-32.

[2] Ashish Kanase,Yogiraj Mane, Amey Kulkarni, Manual Gearbox Gear Whine Noise Prediction and Importance of Parametric nsitivity in NVH[J],SAE 2013-26-0091.

[3] 江會(huì)仙，汽車(chē)手動(dòng)變速箱嘯叫的原因分析與改進(jìn)[D].南京:南京航空航天大學(xué).2014.

[4] 李潤(rùn)方，王建軍. 齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

[5] 龐劍，剛，何華，汽車(chē)噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.