王從鶴，張國耕，劉鵬（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

手動變速箱齒輪敲擊問題研究

王從鶴，張國耕，劉鵬
（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

手動變速箱齒輪敲擊是一種常見的變速箱噪音。從齒輪敲擊產(chǎn)生機理出發(fā)，研究變速箱齒輪敲擊噪音的傳播過程，分析拉索與變速箱殼體模態(tài)參數(shù)對振動噪音傳播影響的機理。結(jié)合某車型加速行駛時，駕駛員右耳處存在1300-2500Hz的齒輪敲擊噪音問題，通過優(yōu)化拉索和變速箱殼體設(shè)計，改變其模態(tài)參數(shù)，基本消去駕駛員右耳處噪聲，試驗驗證效果良好。

手動變速箱；噪音；設(shè)計參數(shù)優(yōu)化；試驗驗證

王從鶴

畢業(yè)于上海交通大學，研究生學歷，碩士學位；工程師；現(xiàn)任職泛亞汽車技術(shù)中心有限公司動力總成部項目實施總監(jiān)，從事車輛動力及傳動系統(tǒng)工程開發(fā)及其技術(shù)管理工作。

1　前言

手動變速箱是由齒輪、軸、軸承、同步器、選換擋機構(gòu)等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)變速箱擋位切換的復雜機械系統(tǒng)。由于手動變速箱工作環(huán)境惡劣，手動變速箱（MT）在整車中易于產(chǎn)生較明顯的噪音。對于其噪聲的形成，一般認為是由于齒輪在傳動過程中，齒輪彈性形變、制造或裝配誤差等引起嚙合沖擊而產(chǎn)生振動與聲輻射，通過軸、軸承傳至箱體，再通過空氣與拉索等傳遞至車內(nèi)空間。手動變速器的振動噪聲根據(jù)其產(chǎn)生原理的不同可以分為五類：齒輪嘯叫、齒輪敲擊、同步器結(jié)合噪聲、軸承噪聲、以及變速箱選換擋球頭振動等。

由于變速箱敲擊噪音的產(chǎn)生機理涉及變速箱齒輪傳動系統(tǒng)動力學，影響因素多，分析方法并不夠完善，但從20世紀80年代開始，探索從未停止。馮振東等［1］采用了2自由度的非線性振動模型模擬怠速時變速器常嚙合齒輪輪齒間的敲擊；R.Singh等［2］建立了4自由度齒輪敲擊模型，研究離合器的設(shè)計參數(shù)對齒輪敲擊的影響進行了仿真分析；郭榮等［3］建立齒輪敲擊問題的4自由度模型，模型中考慮離合器扭轉(zhuǎn)剛度和輪齒彈性接觸力2個非線性因素。龔兵等［4］通過AmeSim軟件建立變速箱傳動系統(tǒng)敲擊模型并通過試驗驗證，為敲擊問題的認識提供了一種較為方便的方法。

變速箱敲擊問題的解決，主要包括：激勵源即發(fā)動機扭振控制，響應(yīng)即離合器參數(shù)匹配、變速箱齒輪側(cè)隙、滾針軸承摩擦力矩和攪油損失，以及優(yōu)化傳遞路徑等方法［6-7］。

本文結(jié)合某車型變速箱，在加速行駛時具有較明顯齒輪敲擊這一問題，研究變速箱敲擊產(chǎn)生及振動噪音傳播過程，分析拉索與變速箱殼體模態(tài)參數(shù)對振動噪音傳播的影響，確定齒輪敲擊噪音的解決方案。

2　變速箱敲擊產(chǎn)生及傳播

變速箱齒輪敲擊噪聲是發(fā)生在非承載齒輪對和換擋組件（如同步環(huán)、滑套等）上的一種沖擊現(xiàn)象。

2.1齒輪敲擊產(chǎn)生機理

圖1是一對非承載齒輪阻力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系簡化圖，拖拽力矩 Tdrag和齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jl的大小直接決定變速器內(nèi)是否會產(chǎn)生齒輪敲擊噪聲［7-8］：

式中Jl—空套齒輪的慣量；θl—空套齒輪的角速度； Tdrag—作用在非承載齒輪上的拖拽力矩。

2.2齒輪敲擊噪音傳播過程及影響因素

噪音的傳播途徑主要分為空氣傳聲和固體傳聲兩類，其中固體傳聲為齒輪敲擊噪音的主要改善途徑。

在固體傳聲中，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)反映結(jié)構(gòu)件的固有振動特性，特別是當結(jié)構(gòu)的某階振動模態(tài)與空腔的某階聲學模態(tài)一致時，會引起極大的聲壓產(chǎn)生。對結(jié)構(gòu)件的模態(tài)分析是噪聲預測與控制的重要環(huán)節(jié)。

結(jié)構(gòu)件的模態(tài)參數(shù)是指系統(tǒng)的固有參數(shù)，如固有頻率、固有振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量，這些參數(shù)都隱含在系統(tǒng)參數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)中，頻響函數(shù)推導過程如下［9］：

由機械振動的基本理論可知：

則：

頻響函數(shù)可表示為：

當系統(tǒng)P點作用激振力時，結(jié)構(gòu)L點的響應(yīng)為：

由公式4）與公式5）可知，結(jié)構(gòu)件各階固有頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、各階阻尼因子是影響系統(tǒng)振動噪音的主要因素。

變速箱齒輪敲擊噪音由發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動，通過離合器，由于離合器隔振效果不佳或發(fā)動機轉(zhuǎn)速與扭矩波動較高，激起變速箱非承載齒輪對敲擊振動。齒輪敲擊振動通過軸、軸承傳遞至變速箱殼體，一方面通過空氣、透過車身縫隙傳遞至駕駛倉；另一方面殼體振動通過選換擋拉索等傳遞至駕駛倉。

綜上，控制變速箱輸入端轉(zhuǎn)速與扭矩波動、優(yōu)化選換擋拉索與變速箱殼體模態(tài)參數(shù)，均是改善齒輪敲擊噪音的有效方法。

3　問題解決

根據(jù)上述分析，針對某車型加速行駛時，駕駛員右耳處存在1300-2500Hz的齒輪敲擊噪音問題，頻譜圖如圖5（A）所示。

圖5表示通過實車測試，不同方案下駕駛員右耳處噪音水平，縱坐標表示駕駛員右耳處噪音頻率（單位：Hz）、橫坐標表示測試時間（單位：s）、顏色深淺表示噪音振動強度（單位：Pa）。圖5（A）表示原始設(shè)計方案，圖5（B）表示斷開拉索，圖5（C）表示拉索系統(tǒng)優(yōu)化后方案，圖5（D）表示在優(yōu)化拉索基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化殼體方案。

通過測試離合器減振性能、優(yōu)化選換擋拉索與變速箱殼體模態(tài)參數(shù)，研究問題變速箱齒輪敲擊問題的解決方案。

3.1離合器減振性能測試

如圖2所示，通過實車測試，在2檔WOT工況，考察傳動系主階次（2階）的轉(zhuǎn)速波動，以角加速度為評價依據(jù)，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速波動基本小于發(fā)動機輸出端轉(zhuǎn)速波動。而離合器作為發(fā)動機與變速箱之間的減振部件，上述測量數(shù)據(jù)表明離合器起到了良好的減振效果，這說明該車型齒輪敲擊噪音不是因為離合器隔振效果不佳引起。

3.2增加拉索配重塊

研究變速箱拉索對車內(nèi)噪音的影響，首先斷開拉索，對車內(nèi)敲擊噪音進行測試，結(jié)果如圖5（B）所示，噪音水平基本可以接受，說明噪音有很大一部分通過結(jié)構(gòu)傳遞。根據(jù)公式4）與公式5）可知，改變拉索系統(tǒng)的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度等，能有效降低結(jié)構(gòu)件系統(tǒng)振動。

如圖3所示，在選擋拉索和換擋拉索上分別增加300g配重塊A和配重塊B，以提高減振性能。測試結(jié)果如圖5（C）所示，2100-2500Hz左右的噪音基本消除，敲擊噪音有一定改善。

3.3優(yōu)化變速箱殼體

為進一步控制噪音，根據(jù)公式4）與公式5）可知，優(yōu)化拉索支架附近殼體模態(tài)參數(shù)也能有效減少振動傳遞。

通過在變速箱殼體拉索支架附近增加加強筋，以提升殼體模態(tài)頻率，避開1500Hz、2050Hz左右振動頻率。

如圖4所示，圖4（A）、（B）分別表示變速箱殼體拉索支架附近加加強筋前后6階模態(tài)振型，改進前頻率1510Hz、改進后頻率1559Hz，頻率提升3.2%；圖4（C）、（D）分別表示變速箱殼體拉索支架附近加加強筋前后11階模態(tài)振型，改進前頻率2078Hz、改進后頻率2136Hz，頻率提升2.8%。圖4中顏色表示振動輻度，最大值為1，最小值為0。通過在殼體拉索支架附近加加強筋使得殼體模態(tài)頻率在1500Hz、、2050Hz附近有一定提升，避開激勵頻率；同時從殼體6階與11階振型圖上可以看出沿著拉索移動方向變形幅度有一定改善。

如圖5（D）所示，在變速箱殼體拉索支架附近加加強筋后方案，駕駛員右耳處1300-1500Hz、2050Hz頻率被明顯消除，駕駛體驗良好。

4　總結(jié)

1）闡述變速箱敲擊問題產(chǎn)生的機理及振動傳遞過程，確定通過控制變速箱輸入端轉(zhuǎn)速波動、優(yōu)化選換擋拉索與變速箱殼體模態(tài)參數(shù)等解決方案。

2）從噪音傳遞路徑出發(fā)，通過對變速箱拉索系統(tǒng)和變速箱殼體的優(yōu)化，消除駕駛員右耳處1300Hz-2500Hz頻率的噪音，解決工程問題。

［1］馮振東，史廣奎，鄔惠樂，等.東風牌EQ2D140柴油車變速器怠速噪聲的研究［J］.汽車工程，1989 （2）：59-66.

［2］Singh R，Xie H，Comparin R J.Analysis of automotive neutral gear rattle［J］.Journal of Sound and Vibration，1989，131 （2）：177—196.

［3］郭榮，裘剡，章桐等。手動變速箱空擋齒輪敲擊問題的影響因素分析［J］。江蘇大學學報（自然科學版），2013，34（4）：378-383.

［4］龔兵，潘甫生，常輝等. 手動變速箱rattle噪聲的仿真和試驗［J］，計算機輔助工程 ，2013 22（5）：37-42.

［5］田雄，李宏成，呂先鋒等. 基于傳遞路徑試驗分析的變速器敲擊噪聲優(yōu)化［J］振動工程學報，2010，23（6）：642-648.

［6］T. C. Kim，R. Singh. Dynamic Interactions between Loaded and Unloaded Gear Pairs under Rattle Conditions［C］.Proceedings of 2001 SAE Noise and Vibration Conference： 1934-1943.

［7］Darrell Robinette，Randall S，Beikmann，Paul Piorkowski.Michael Powell.Characterizing the Onset of Manual Transmission Gear Rattle Part I：Experimental Results［J］SAE，2009-01-2063.

［8］蔡龍生，楚俊楠，陳俐. 基于包絡(luò)解調(diào)的手動變速器齒輪敲擊實驗研究［J］.傳動技術(shù)，2013，27（2）：38-45，48.

［9］靳曉雄，張立軍著.汽車噪聲的預測與控制.上海：同濟大學出版社，2004：27.

專家推薦

陳贛：

該論文闡述了解決手動變速箱齒輪敲擊噪聲的一次嘗試。從論文提供的數(shù)據(jù)看，采取了論文中所提到的措施后，敲擊噪聲有所減小，獲得了降低乘員艙噪聲的效果。

論文中闡述的方法不是僅僅針對手動變速箱噪聲問題，而是一種普遍可采用的方法。作者把這個方法用于變速箱噪聲問題的解決，取得了效果。但在理論上沒有突破。

作者在論文中提供了一些數(shù)據(jù)以支撐其觀點?！袄鹘宇^做軟、增加質(zhì)量阻尼”過于定性，雖然給出了所增加質(zhì)量塊的數(shù)據(jù)，但沒有給出該質(zhì)量塊質(zhì)量值和位置時如何確定的。提高變速箱殼體的模態(tài)頻率，論文中列出了原設(shè)計殼體的模態(tài)頻率值和改進后的殼體的模態(tài)頻率值，對讀者理解作者采用的方法能有所幫助。

Manual Transmission Gear Rattle Solution

WANG Cong-he，ZHANG Guo-geng，LIU Peng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 201201，China）

Manual transmission gear rattle noise is a common gearbox noise. Based on the mechanism of gear rattle，the process of noise propagation，and the effects of the Modal Parameters on vibration noise are studied. There is a 1300-2500Hz noise problem existing at the driver's right ear，when vehicle at the acceleration states. By changing the modal parameters of the cable system and gearbox housing，the noise at the driver's right ear is eliminated，which is also demonstrated with the experimental test.

Manual Transmission； Rattle Noise； Design Parameters Optimization； Validation

2016-02-20

TB533+.2

A

1005-2550（2016）04-0019-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.003