乘用车手动变速器NVH产生机理

作者:王 浩 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2018-07-08
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乘用车动力总成噪声是影响整车NVH性能的重要组成部分,本文首先从动力传动系统的角度介绍手动变速器噪声产生的机理,分析产生噪声的根本原因,其次将手动变速器的噪声进行分类,并具体介绍形成的原因。

汽车噪声作为汽车乘坐舒适性的重要评价指标,在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平。汽车的噪声源有多种,如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、喇叭和音响等。汽车在中低速行驶时,发动机及动力传动系统是主要噪声源,随着发动机减振降噪技术突飞猛进的发展,发动机的噪声得到有效控制和改善,而动力传动系统中,变速器的噪声在汽车整体噪声中所占的比例相对提高,尤其以手动变速器的齿轮敲击及啸叫噪声最受关注。汽车变速器是一个多自由度弹性振动系统,作用于该系统的各种激励力使变速器产生复杂的振动,其必然引起整车的振动和噪声,从而影响汽车乘坐舒适性。因此,如何有效地降低变速器的敲击及啸叫噪声,提高汽车驾驶的噪声品质显得尤为重要。

手动变速器NVH噪声形成机理

汽车动力传动系统是一个复杂的多自由度扭振系统,车辆在行驶过程中,发动机的激励、传动系统中间隙作用以及路面的颠簸激励都会引起传动系统的载荷变化,进而产生传动系统的振动并发出噪声。由于手动变速器是传动系统的中间载体,且其本身是一个复杂的弹性机械系统,包括由齿轮副、同步器、传动轴和支撑轴承等组成的传动系统和由箱体组成的结构系统,因此变速器总成是传动系统的重要组成部分,也是噪声发出的主要载体。

变速器噪声产生的原因是错综复杂的,它本身就是一个多自由度弹性振动系统,作用于这个系统的各种激振力就是使变速器产生复杂振动的动力源。

引起各种激振力的因素可概括为两类:一是发动机运转时,工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复惯性力引起的简谐振动;二是变速器内传动齿轮副的啮合激励。如果这些激振力的激振频率和变速器箱体的某一阶固有频率相吻合或相近时,就会产生共振,并发出强烈的噪声,影响驾乘舒适性。

齿轮动态激励是变速器齿轮系统产生振动和噪声的根本原因,变速器齿轮系统的动态激励分为内部激励和外部激励两类。由于齿轮加工误差、齿轮受载变形,同时啮合齿轮对数的变化等原因引起的频率较高的激励为内部激励;除了齿轮啮合时产生的内部激励外,由旋转质量的不平衡、几何偏心、发动机输出的转矩波动以及系统中有关零部件的激励特性等引起的频率较低的激励为外部激励。齿轮系统与一般机械系统的主要不同之处在于系统的内部激励,即使外部激励为零,在内部激励的作用下齿轮系统也会产生振动。

1.内部激励

齿轮系统的内部激励是指齿轮副轮齿啮合过程这所产生的动态激励,主要包括以下三种形式:

(1) 刚度激励

由齿轮啮合过程中啮合综合刚度的时变性而引起的动态激励被称为齿轮系统的“刚度激励”。一般来说,齿轮啮合的重合度大多不是整数,在齿轮啮合过程中,同时参与啮合的齿轮对数,随时间做周期性的变化,有时只有一对齿轮啮合,有时有两对齿轮啮合。在单齿啮合区,齿轮的啮合综合刚度较小,啮合变形大;在双齿啮合区,齿轮的啮合综合刚度较大,啮合变形小。在齿轮副运转的过程中,将会出现单齿啮合与双齿啮合的不断交替,轮齿弹性变形会周期性变化,产生周期性的冲击,引起齿轮副角速度周期性变化,导致齿轮系统的振动和噪声。对于斜齿轮传递,由于啮合线是“点―线―点”的变化过程,啮合过程中齿轮交替虽然不是突变的,但啮合过程中轮齿的啮合综合刚度及轮齿载荷也是周期性变化的,同样会引起啮合过程的动态激励。

啮合综合刚度是指在整个啮合区中,啮合的各对轮齿的综合效应。与单齿的弹性变形、单对轮齿的综合弹性变形以及重合度有关。对于轮齿啮合综合刚度,在双齿啮合区,有两对轮齿同时参与啮合,刚度曲线是两对轮齿综合刚度的叠加。轮齿啮合综合刚度具有明显的阶跃型突变性质。对应不同的重合度,曲线将具有不同的形式。经研究发现,重合度为整数时,啮合综合刚度的变化较小,不存在阶跃型突变。斜齿轮的啮合是由轮齿的一端开始,并逐渐延伸至整个齿面,最后在轮齿的另一端退出啮合。因此,斜齿轮轮齿的啮合综合刚度虽然也是时变的,但不存在阶跃型变。

(2)误差激励

齿轮的加工和装配不可避免地会存在误差,这些误差使齿轮啮合齿廓偏离理论的理想位置,破坏了渐开线齿轮的正常啮合方式,使齿轮瞬时传动比发生变化,造成齿与齿之间的碰撞和冲击。由于误差的时变性,这种偏离就形成了啮合过程中的一种位移激励,这种由误差引起的位移激励被称为“误差激励”。通常,影响齿轮振动噪声的各种因素中,齿距误差和齿形误差的影响最大。在某种程度上,齿轮的其它误差对齿轮振动噪声的影响,都会以一定的形式反映在齿距误差和齿形误差对齿轮振动噪声的影响上。

齿形误差是指在轮齿工作部分内,容纳实际齿形的两个理想齿形间的法向距离。齿形误差是由于分度机构误差、刀具齿形误差、机床展成机构误差和动力系数刚度不足、热处理变形以及切削力的变化等因素造成。在各个误差中,齿形误差对噪声的影响最大。通常来说齿形误差大,噪声就大,但两者之间并非简单的正比关系。减小齿形误差对于降低高转速的齿轮噪声具有更重要的意义。在不少情况下,噪声的大小,不仅取决于齿形误差的大小,更主要取决于轮齿的形状。当轮齿载荷较大时,轮齿的弯曲变形量往往大于齿形误差。这个时候齿形误差对齿轮噪声的影响就会比较小。齿形误差会使啮合的齿轮在啮合线上有额外的位移。可以近似地表示为:

其中:ep为误差的幅值,ƒ为一阶啮合频率,即齿形误差可以近似的表示为多个正弦函数之和。其频谱特性为多个正弦函数频谱的合成,基频为一阶啮合频率,高次谐波为啮合频率的倍频。
经过对大量的有齿形误差的齿轮进行测试分析,得出齿形误差频谱特征主要有如下三种情况:

同一齿轮上的个别齿有齿形误差时,通常会发生振幅调制,频谱中无限边频;

由于剃齿或磨齿设备故障,导致齿轮加工过程中,同一齿轮上的所有齿都具有齿形误差时,不良的齿轮啮合特性,将导致齿轮啮合频率高次谐波的出现;

齿轮淬火过程中的齿变形,导致同一轮齿上的各个齿其倾角不同时,齿轮啮合过程中将有发生频率调制,频谱中会出现Bessel线,其类似边频,但是在边频出现的地方,没有齿轮啮合频率。边频之间的间隔,对应故障齿轮所在轴的旋转频率。

(3)啮合冲击激励

在齿轮啮合过程中,由于齿轮误差和轮齿受载变形,将产生“啮合合成基节误差”,使轮齿的啮入点和啮出点偏离理论啮合线,从而使主、被动齿轮转速产生偏差和突变,引起啮入和啮出冲击力。在齿轮动力学中,这种因“啮合合成基节误差”引起的激励称为啮合冲击激励,一般说来,啮入冲击比啮出冲击的影响更大,这两种冲击都使齿轮啮合线发生偏移,从动轮转速发生变化,使齿轮啮合发生强烈的振动和噪声。啮合冲击激励与误差激励的区别在于:啮合冲击激励是一种动态载荷激励,而误差激励是一种动态位移激励。

2.外部激励

变速器齿轮系统最主要的外部激励来自于变速器前端发动机输出的转矩波动,对于内燃式发动机来说,产生转矩波动的因素有气缸内燃气爆发压力产生的干扰力矩以及曲柄连杆机构惯性力所产生的干扰力矩。

燃气爆发压力产生的力矩: 

式中燃气爆发压力产生的力矩为MG,MG为作用在活塞单位面积上的燃气压力;D为气缸直径;α为以上止点为基准的曲柄转角;β为连杆中心线与气缸中心线之间的夹角;R为曲柄半径。
曲柄连杆机构惯性力所产生的力矩:发动机曲柄连杆机构的惯性力有离心惯性力和往复惯性力两种。由于离心惯性力通过曲轴的回转中心,对曲轴不产生扭转振动的激励力矩。而往复惯性力和燃气压力一样,它们作用在活塞及连杆上,并通过连杆传到连杆轴颈,对曲轴产生周期性变化的切向力矩,此力矩会激起曲轴系统的扭转振动,产生扭转
波动。

手动变速器NVH噪声特点与优化

变速器啸叫问题分析

如图所示,变速器噪声问题经常出现在产品研发过程中,逐渐成为汽车主机厂和广大消费者越来越关注的问题,同时也是一直困扰诸多工程技术人员难以解决的技术难题。齿轮啸叫声音质尖锐明显,往往令人厌烦不安,变速器齿轮啸叫噪声的频率随发动机转速升高而升高,具有中高频尖锐纯音调的特征,通常在变速器低档位、发动机低转速和反拖滑行时,在驾驶室或车厢内比较容易听到齿轮的啸叫声。齿轮啸叫噪声发生在传递动力的承载齿轮副,与传递误差密切相关。

优化变速器啸叫声的基本方向是通过减小源头上的齿轮传递误差激励,避免或控制传递路径上的结构系统发生模态共振,最终降低传递至支撑轴承上的动态载荷。而传递误差由齿轮宏观和微观参数共同决定,宏观参数是由原始设计决定的,优化空间往往不大,所以优化齿轮微观参数是降低啸叫的最佳方法。在实际工程应用中,主要利用试验方法识别变速器噪声源并通过提高齿轮精度等级或齿轮微观修形减小传递误差达到优化小家噪声的目的,而在变速器齿轮啸叫振动响应和噪声虚拟预测以及通过优化设计变速器壳体结构达到降低啸叫噪声的研究还很少。
齿轮敲击噪声的音质通常松散嘈杂,给人以烦躁和不安全感。变速器齿轮敲击噪声具有宽频率带特性,比较容易在怠速、正驱加速和发动机低速1 500~2 500 r/min范围内发生,敲击频率可分布在几百到几千赫兹范围内。通常变速器齿轮敲击噪声主要分为空挡怠速敲击和驱动敲击。

在变速器齿轮敲击噪声研究方面,建立包含转速波动、齿轮阻滞力矩、齿侧间隙和离合器多级刚度等影响齿轮敲击的各种非线性系统因素,并考虑发动机曲轴系与变速器齿轮传动系耦合效应的动力学分析模型的研究还很少。在实际工程应用中,通过多体动力学仿真技术可以得到齿轮最佳阻滞力矩参数从而降低齿轮敲击强度;设计离合器扭振减振器时,在满足传递转矩和可靠性等要求的前提下,通过适当减小离合器扭转刚度可以改善齿轮敲击;在允许范围内,适当减少齿侧间隙也有利于减少齿轮敲击
振动。

结论

通过以上分析,可以得知,变速器NVH从某种角度来说是一个系统的问题,如果单从增加零部件的加工精度来提高,虽然对降低噪声的有一定效果,但会增加生产成本,也造成单车成本的增加。近年来,随着仿真技术的发展,研发人员可从综合领域来处理变速器噪声问题,通过调整控制设计参数、提高精度,从而使得变速器在噪声、成本和强度等方面平衡,综合工程开发经验,从系统的角度降噪更能有效降低成本。  

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