某MPV車型變速器異常振動噪聲識別分析

謝慧敏+盧劍偉+張笑+胡俊生+呂孟理

摘 要：對某在研MPV車型NVH性能測試中發現的變速器異常振動噪聲進行聲振測試及辨識分析，應用階次分析對其故障特征進行辨識，探討異常振動噪聲的發生機理?；赗omax軟件平臺建立變速器的動力學分析模型，對其固有特性和動態響應特性進行分析，提出了一種變速器空載齒輪敲擊的評價指標，以發動機氣缸壓力實測數據為輸入，考察不同轉速下空載齒輪敲擊評價指標的變化。分析結果與試驗數據吻合。

關鍵詞：階次分析；傳動系；振動噪聲；評價指標

中圖分類號： U467.4+93文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.07

Abstract：The method of order analysis based on noise and vibration tests was used to identify the abnormal vibration and noise sources of automobile transmission， and the mechanism of noise generation was also investigated. Based on the results， a precise dynamic model for transmission that caused the noise was established with Romax software， and the model was further validated based on experimental results. A novel evaluation index for gear rattle was proposed. The input excitation of gear rattle was acquired by calculating the output torque fluctuation of engine. The torque fluctuation was obtained by taking advantage of actual engine cylinder pressure under various engine speeds and the index for different speeds was discussed and verified. The analysis results agree with the experimental data.

Keywords：order analysis； driveline； noise； assessment index

車輛NVH性能是產品設計研發中需要重點考慮的關鍵技術指標之一。其中，變速器的異常振動噪聲識別分析及控制問題是目前車輛產品研發中的技術難點之一。

變速器中包含箱體、齒輪傳動系統、同步器、換擋裝置等諸多零部件，是一個非常復雜的系統。由于在制造和裝配中存在誤差以及負荷等外部因素變化的影響，箱體內零部件在工作時會產生異常振動，產生輻射噪聲。該噪聲可以分為兩種：一種是齒輪嚙合產生的噪聲通過殼體直接輻射到空氣中產生的空氣聲，另一種是箱體受到激勵而產生異常振動向空氣輻射的結構聲[1]。

變速器齒輪敲擊也是產品研發中較為常見的一種異常振動噪聲。敲擊過程中既存在齒面、齒背碰撞狀態，也存在齒輪正常嚙合狀態，激勵幅值的大小是影響敲擊振動的重要因素[2]。敲擊現象主要受發動機轉矩波動產生的扭振激勵和齒側間隙的影響，研究表明變速器的敲擊振動現象也受到溫度和潤滑等多種因素的影響[3-6]。

樣車在主觀測試中發現傳動系統存在低擋加速共振及齒輪敲擊噪聲。為此，結合某發動機縱置MPV車型產品研發中變速器異常振動噪聲的識別分析與整改工作，采用階次分析方法等對樣車振動噪聲試驗數據進行辨識分析?；赗omax軟件平臺建立變速器動力學分析模型，對其殼體及齒輪傳動系統模態頻率、齒輪動態嚙合力、動態軸承力等進行分析?；谧兯倨鞣浅休d齒輪在傳動軸上的敲擊碰撞所產生的沖量，提出了變速器齒輪敲擊的評價指標，相關分析結論與試驗結論吻合較好。

1 樣車變速器振動噪聲測試

1.1 試驗測點布置

樣車的變速器聲振測試在中國汽車技術研究中心整車半消聲室進行，其布置方案為：在乘員艙駕駛員外耳處布置噪聲傳感器，在變速器處布置三向振動傳感器。對樣車不同擋位、不同油門開度的勻速、加速、減速、滑行等各種典型工況進行聲振測試分析，采用LMS Test Lab數據采集系統進行試驗數據的采集和處理。

1.2 駕駛室噪聲試驗測試結果

樣車進行主觀測試時發現在二擋全油門加速至發動機轉速1 400 r/min左右，三擋全油門加速至發動機轉速1 300 r/min左右時變速器出現異常噪聲。從二擋全油門加速工況和三擋全油門加速工況下駕駛員外耳處噪聲階次譜云圖可以看出，二擋全油門加速工況下發動機轉速1 408 r/min時，以及三擋全油門加速工況下發動機轉速1 282 r/min時，均在一個較寬的頻帶內存在明顯的異常噪聲。結合主觀測試結果和試驗數據判斷在該工況下變速器異響應為齒輪敲擊異響。如圖1和圖2所示。

1.3 振動試驗測試結果

針對各個測點進行分析發現三擋全油門加速工況下變速器處存在異常振動，對此處的振動試驗數據展開詳細分析。

結合測試分析對象轉速變化的特征，在數據處理時采用階次分析法，將其轉換成等角度采樣，以避免傳統的等時間間隔采樣的頻譜分析法產生的頻率模糊效應，則階次O、齒輪嚙合頻率f與參考軸轉速n1之間的關系如下[7-8]：

以三擋全油門加速工況下的振動測試結果為例，根據各擋位齒輪參數，以傳動軸為參考軸可計算出各擋齒輪嚙合的階次，見表1。

由變速器各個方向振動的瀑布圖可以看出，三個方向振動中較強的振動成分均與三擋在擋齒輪的嚙合階次40.62階相關，另外y、z向在900～1 223 Hz頻率范圍內也有較強的振動，如圖3～

5所示。

由圖3～5可以看出，三個方向的振動在傳動軸轉速為1 403～1 797 r/min時出現惡化。通過傳動比換算可知，此時輸入軸轉速為2 000～2 500 r/min，其中以x向在傳動軸轉速1 797 r/min，即輸入軸轉速2 600 r/min時最嚴重，如圖6所示。

對二擋、三擋全油門加速工況下異常振動噪聲試驗數據的分析，可為下文仿真模型及基于模型敲擊指標的驗證提供數據支持。具體分析結果如下：二擋、三擋低轉速區間存在一個較寬頻帶內的異常噪聲，即齒輪敲擊噪聲。三擋異常振動發生在變速器處，集中在輸入軸轉速2 000～2 500 r/min的范圍內，主要階次成分為在擋齒輪的階次，且變速器y、z向在900～1 223 Hz頻率范圍內均有較強的振動。

2 變速器異常振動分析

2.1 變速器系統模態分析

為了確認變速器出現異常振動噪聲的原因，建立變速器的動力學分析模型。其中，變速器齒輪、軸、軸承、同步器等直接在Romax中建模，對變速器殼體進行柔性化處理，并通過輸入軸、輸出軸上的軸承和齒輪傳動系統動態連接，得到的變速器動力學分析模型如圖7所示。

為表征殼體的實際動態特性，有必要在Romax中計算殼體在實際裝配狀態下的約束模態，通過分析可知變速器殼體前6階模態頻率，見表2。

各擋工況下齒輪傳動系統前10階頻率見表3。

齒輪副的嚙合頻率f計算公式為：

各擋齒輪副嚙合頻率見表4。

系統的激勵頻率主要是各擋齒輪副的嚙合頻率，將激勵頻率與變速器殼體以及變速器齒輪傳動系統的固有頻率進行對比，尋找各擋工況下發生共振的頻率。結果表明在三擋工況下，激勵頻率933 Hz與箱體的三階固有頻率970.23 Hz以及齒輪傳動系統的8階固有頻率927 Hz接近，整個變速器系統會發生強烈共振，從而引發噪聲。

該分析結果與試驗數據表現的變速器y、z向在900 Hz左右有異常振動的現象吻合，驗證了所建模型的準確性。

2.2 齒輪傳動系統動態響應分析

齒輪傳動系統的振動噪聲不僅與輪齒嚙合的動態激勵力有關，而且還與輪體、傳動軸、軸承及箱體等的結構形式、動態特性以及動態嚙合力在它們之間的傳遞特性有關。

齒輪副運轉階次振動產生了激勵力，該激勵力是齒輪副嚙合過程中不斷波動的動態力，齒輪副動態嚙合力的變化幅值決定了嘯叫噪聲的大小。另一方面，變速器箱體在軸承力作用下產生振動并輻射噪聲，因此連接處軸承的動態響應也反映了異常振動噪聲的大小。

三擋動態嚙合力隨輸入軸轉速的變化如圖8所示，可以看出當輸入軸轉速為2 400～2 600 r/min時，齒輪動態嚙合力有明顯的異常突變，變速器殼體與齒輪傳動系統連接處軸承動態響應力在輸入軸轉速為2 500 r/min時也有異常峰值，如圖9所示。這與前述試驗數據變速器三個方向在輸入軸轉速2 500 r/min有異常振動的表現吻合。

對變速器系統固有特性的分析可知樣車在900 Hz左右會產生異常共振，對齒輪傳動系統進行動態響應分析可知，在輸入軸轉速2 500 r/min時系統異常振動最明顯，模型仿真結果與試驗數據吻合。該理論模型和試驗數據的吻合，為下文齒輪敲擊指標的驗證分析奠定了基礎。

3 變速器齒輪敲擊噪聲分析及評價

3.1 齒輪敲擊評價指標的建立

齒輪敲擊噪聲通常是發生在嚙合非承載齒輪對和換擋組件上的一種沖擊現象。從空擋齒輪嚙合沖量的角度提出如下齒輪敲擊振動的評價指標R：

3.2 齒輪敲擊評價指標的驗證

通過試驗采集不同轉速下發動機氣缸壓力隨曲軸轉角的變化情況，并以此為依據，添加發動機總成的輸入激勵。其中，氣缸壓力作用在活塞上并通過連桿作用在曲柄銷上，該連桿推力可分解為垂直于曲柄的切向力以及與曲柄方向一致的徑向力?；钊系臍怏w壓力Fg和往復運動部件慣性力Fi產生的連桿推力Fc，曲柄切向力Ft，徑向力Fr和力矩T可近似寫為[9]：

發動機穩定運轉時，各缸激振力矩變化規律相同，且根據點火順序有一定的相位差，按照各缸夾角與簡諧次數矢量和相加可得到發動機總成的輸出激勵，并將其作為變速器齒輪傳動系統的輸入激勵，進而依據上述齒輪敲擊評價指標進行評價。

以發動機轉速3 000 r/min為例，計算的發動機飛輪端輸出轉矩如圖10所示。

對二擋、三擋全油門加速工況進行分析，可得對應轉速下變速器齒輪的角速度，并利用上述齒輪敲擊評價指標對不同轉速下齒輪敲擊現象進行量化評價。

由圖11和圖12可知，1 500 r/min時敲擊指標出現峰值，這表示1 500 r/min時變速器發生敲擊現象的可能性最大。試驗數據顯示二擋發動機轉速1 408 r/min時、三擋發動機轉速1 282 r/min時，駕駛員外耳處噪聲有一較寬頻帶的異常噪聲，與分析結果吻合較好，驗證了所提敲擊評價指標的準確性。

4 結論

（1） 樣車三擋激勵頻率與箱體的3階固有頻率以及齒輪傳動系統的8階固有頻率接近，整個變速器系統在900 Hz左右的頻率范圍內發生強烈共振，從而引起傳動系異常振動。

（2）樣車三擋加速工況下齒輪動態嚙合力及軸承處動態響應均在發動機轉速2 500 r/min時出現異常峰值，變速器處產生異常振動，且較強的振動成分均與三擋在擋齒輪的嚙合階次相關。

（3） 樣車二擋、三擋全油門加速工況下均在發動機轉速1 500 r/min 左右發生齒輪敲擊現象，說明變速器齒輪敲擊一般發生在低轉速工況下，分析結果與實際吻合。

（4）從空擋齒輪嚙合沖量的角度提出了一種變速器齒輪敲擊的評價指標，對樣車的評價結論與試驗結論吻合較好。

參考文獻（References）：

ANDO K，KANDA Y，FUJITA Y，et al. Analysis of High Frequency Gear Whine Noise by Using an Inverse Boundary Element Method [C]//SAE Technical Paper 2005-01-2304.

張鎖懷，沈允文，董海軍，等.單級齒輪系統的拍擊振動模型 [J]. 機械工程學報，2002，38（12）：16-20.

Zhang Suohuai，Shen Yunwen，Dong Haijun，et al. Rattling model of a one-stage gear system [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2002，38（12）：16-20. （in Chinese）

TANGASAWI O，THEODOSSIADES S，RAHNEJAT H，et al. Non-Linear Vibro-Impact Phenomenon Belying Transmission Idle Rattle [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2008，222（10）：1909-1923.

BARTHOD M，HAYNE B，T?BEC J L，et al. Experimental Study of Dynamic and Noise Produced by a Gearing Excited by a Multi-Harmonic Excitation [J]. Applied Acoustics，2007，68（9）：982-1002.

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.

Guo Rong，Qiu Yan，Zhang Tong，et al. Multifactor Analysis of Neutral Gear Rattle in Automobile Manual Transmission [J]. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition），2013，34（4）：378-383. （in Chinese）

張軍鋒. 手動變速器齒輪敲擊噪聲的實驗分析 [D]. 上海：上海交通大學，2012.

Zhang Junfeng. Gear Rattle Experiment and Analysis of a Manual Transmission [D]. Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2012. （in Chinese）

宋寶玉，解志杰，張鋒，等. 基于角度域同步平均和階次分析的低速斜齒輪故障診斷 [J]. 吉林大學學報（工學版）， 2015， 45（2）： 454-459.

Song Baoyu，Xie Zhijie，Zhang Feng，et al. Fault Diagnosis Algorithm for Helical Gear Rotating at Low Speed Based on Angular Domain Synchronous Average and Order Tracking Analysis [J]. Journal of Jilin Univer-sity（Engineering and Technology Edition），2015，45（2）：454-459. （in Chinese）

張翔. 基于階次分析的風機齒輪箱振動信號分析與故障診斷 [D]. 武漢：武漢科技大學， 2013.

Zhang Xiang. Vibration Signal Analysis and Fault Diagnosis of Wind Tuibine Gearbox Based on Order Analysis [D]. Wuhan：Wuhan University of Science and Technology，2013. （in Chinese）

龐劍，諶剛，何華. 汽車噪聲與振動——理論與應用 [M]. 北京：北京理工大學出版社， 2006.

Pang Jian，Chen Gang，He Hua. Automotive Noise and Vibration：Principle and Application [M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006. （in Chinese）