谢慧敏+卢剑伟+张笑+胡俊生+吕孟理
摘 要：对某在研MPV车型NVH性能测试中发现的变速器异常振动噪声进行声振测试及辨识分析，应用阶次分析对其故障特征进行辨识，探讨异常振动噪声的发生机理。基于Romax软件平台建立变速器的动力学分析模型，对其固有特性和动态响应特性进行分析，提出了一种变速器空载齿轮敲击的评价指标，以发动机气缸压力实测数据为输入，考察不同转速下空载齿轮敲击评价指标的变化。分析结果与试验数据吻合。
关键词：阶次分析；传动系；振动噪声；评价指标
中图分类号： U467.4+93文献标文献标识码：A文献标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
车辆NVH性能是产品设计研发中需要重点考虑的关键技术指标之一。其中，变速器的异常振动噪声识别分析及控制问题是目前车辆产品研发中的技术难点之一。
变速器中包含箱体、齿轮传动系统、同步器、换挡装置等诸多零部件，是一个非常复杂的系统。由于在制造和装配中存在误差以及负荷等外部因素变化的影响，箱体内零部件在工作时会产生异常振动，产生辐射噪声。该噪声可以分为两种：一种是齿轮啮合产生的噪声通过壳体直接辐射到空气中产生的空气声，另一种是箱体受到激励而产生异常振动向空气辐射的结构声[1]。
变速器齿轮敲击也是产品研发中较为常见的一种异常振动噪声。敲击过程中既存在齿面、齿背碰撞状态，也存在齿轮正常啮合状态，激励幅值的大小是影响敲击振动的重要因素[2]。敲击现象主要受发动机转矩波动产生的扭振激励和齿侧间隙的影响，研究表明变速器的敲击振动现象也受到温度和润滑等多种因素的影响[3-6]。
样车在主观测试中发现传动系统存在低挡加速共振及齿轮敲击噪声。为此，结合某发动机纵置MPV车型产品研发中变速器异常振动噪声的识别分析与整改工作，采用阶次分析方法等对样车振动噪声试验数据进行辨识分析。基于Romax软件平台建立变速器动力学分析模型，对其壳体及齿轮传动系统模态频率、齿轮动态啮合力、动态轴承力等进行分析。基于变速器非承载齿轮在传动轴上的敲击碰撞所产生的冲量，提出了变速器齿轮敲击的评价指标，相关分析结论与试验结论吻合较好。
1 样车变速器振动噪声测试
1.1 试验测点布置
样车的变速器声振测试在中国汽车技术研究中心整车半消声室进行，其布置方案为：在乘员舱驾驶员外耳处布置噪声传感器，在变速器处布置三向振动传感器。对样车不同挡位、不同油门开度的匀速、加速、减速、滑行等各种典型工况进行声振测试分析，采用LMS Test Lab数据采集系统进行试验数据的采集和处理。
1.2 驾驶室噪声试验测试结果
样车进行主观测试时发现在二挡全油门加速至发动机转速1 400 r/min左右，三挡全油门加速至发动机转速1 300 r/min左右时变速器出现异常噪声。从二挡全油门加速工况和三挡全油门加速工况下驾驶员外耳处噪声阶次谱云图可以看出，二挡全油门加速工况下发动机转速1 408 r/min时，以及三挡全油门加速工况下发动机转速1 282 r/min时，均在一个较宽的频带内存在明显的异常噪声。结合主观测试结果和试验数据判断在该工况下变速器异响应为齿轮敲击异响。如图1和图2所示。
1.3 振动试验测试结果
针对各个测点进行分析发现三挡全油门加速工况下变速器处存在异常振动，对此处的振动试验数据展开详细分析。
结合测试分析对象转速变化的特征，在数据处理时采用阶次分析法，将其转换成等角度采样，以避免传统的等时间间隔采样的频谱分析法产生的频率模糊效应，则阶次O、齿轮啮合频率f与参考轴转速n1之间的关系如下[7-8]：
以三挡全油门加速工况下的振动测试结果为例，根据各挡位齿轮参数，以传动轴为参考轴可计算出各挡齿轮啮合的阶次，见表1。
由变速器各个方向振动的瀑布图可以看出，三个方向振动中较强的振动成分均与三挡在挡齿轮的啮合阶次40.62阶相关，另外y、z向在900～1 223 Hz频率范围内也有较强的振动，如图3～
5所示。
由图3～5可以看出，三个方向的振动在传动轴转速为1 403～1 797 r/min时出现恶化。通过传动比换算可知，此时输入轴转速为2 000～2 500 r/min，其中以x向在传动轴转速1 797 r/min，即输入轴转速2 600 r/min时最严重，如图6所示。
对二挡、三挡全油门加速工况下异常振动噪声试验数据的分析，可为下文仿真模型及基于模型敲击指标的验证提供数据支持。具体分析结果如下：二挡、三挡低转速区间存在一个较宽频带内的异常噪声，即齿轮敲击噪声。三挡异常振动发生在变速器处，集中在输入轴转速2 000～2 500 r/min的范围内，主要阶次成分为在挡齿轮的阶次，且变速器y、z向在900～1 223 Hz频率范围内均有较强的振动。
2 变速器异常振动分析
2.1 变速器系统模态分析
为了确认变速器出现异常振动噪声的原因，建立变速器的动力学分析模型。其中，变速器齿轮、轴、轴承、同步器等直接在Romax中建模，对变速器壳体进行柔性化处理，并通过输入轴、输出轴上的轴承和齿轮传动系统动态连接，得到的变速器动力学分析模型如图7所示。
为表征壳体的实际动态特性，有必要在Romax中计算壳体在实际装配状态下的约束模态，通过分析可知变速器壳体前6阶模态频率，见表2。
各挡工况下齿轮传动系统前10阶频率见表3。
齿轮副的啮合频率f计算公式为：
各挡齿轮副啮合频率见表4。
系统的激励频率主要是各挡齿轮副的啮合频率，将激励频率与变速器壳体以及变速器齿轮传动系统的固有频率进行对比，寻找各挡工况下发生共振的频率。结果表明在三挡工况下，激励频率933 Hz与箱体的三阶固有频率970.23 Hz以及齿轮传动系统的8阶固有频率927 Hz接近，整个变速器系统会发生强烈共振，从而引发噪声。
该分析结果与试验数据表现的变速器y、z向在900 Hz左右有异常振动的现象吻合，验证了所建模型的准确性。
2.2 齿轮传动系统动态响应分析
齿轮传动系统的振动噪声不仅与轮齿啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴、轴承及箱体等的结构形式、动态特性以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。
齿轮副运转阶次振动产生了激励力，该激励力是齿轮副啮合过程中不断波动的动态力，齿轮副动态啮合力的变化幅值决定了啸叫噪声的大小。另一方面，变速器箱体在轴承力作用下产生振动并辐射噪声，因此连接处轴承的动态响应也反映了异常振动噪声的大小。
三挡动态啮合力随输入轴转速的变化如图8所示，可以看出当输入轴转速为2 400～2 600 r/min时，齿轮动态啮合力有明显的异常突变，变速器壳体与齿轮传动系统连接处轴承动态响应力在输入轴转速为2 500 r/min时也有异常峰值，如图9所示。这与前述试验数据变速器三个方向在输入轴转速2 500 r/min有异常振动的表现吻合。
对变速器系统固有特性的分析可知样车在900 Hz左右会产生异常共振，对齿轮传动系统进行动态响应分析可知，在输入轴转速2 500 r/min时系统异常振动最明显，模型仿真结果与试验数据吻合。该理论模型和试验数据的吻合，为下文齿轮敲击指标的验证分析奠定了基础。
3 变速器齿轮敲击噪声分析及评价
3.1 齿轮敲击评价指标的建立
齿轮敲击噪声通常是发生在啮合非承载齿轮对和换挡组件上的一种冲击现象。从空挡齿轮啮合冲量的角度提出如下齿轮敲击振动的评价指标R：
3.2 齿轮敲击评价指标的验证
通过试验采集不同转速下发动机气缸压力随曲轴转角的变化情况，并以此为依据，添加发动机总成的输入激励。其中，气缸压力作用在活塞上并通过连杆作用在曲柄销上，该连杆推力可分解为垂直于曲柄的切向力以及与曲柄方向一致的径向力。活塞上的气体压力Fg和往复运动部件惯性力Fi产生的连杆推力Fc，曲柄切向力Ft，径向力Fr和力矩T可近似写为[9]：
发动机稳定运转时，各缸激振力矩变化规律相同，且根据点火顺序有一定的相位差，按照各缸夹角与简谐次数矢量和相加可得到发动机总成的输出激励，并将其作为变速器齿轮传动系统的输入激励，进而依据上述齿轮敲击评价指标进行评价。
以发动机转速3 000 r/min为例，计算的发动机飞轮端输出转矩如图10所示。
对二挡、三挡全油门加速工况进行分析，可得对应转速下变速器齿轮的角速度，并利用上述齿轮敲击评价指标对不同转速下齿轮敲击现象进行量化评价。
由图11和图12可知，1 500 r/min时敲击指标出现峰值，这表示1 500 r/min时变速器发生敲击现象的可能性最大。试验数据显示二挡发动机转速1 408 r/min时、三挡发动机转速1 282 r/min时，驾驶员外耳处噪声有一较宽频带的异常噪声，与分析结果吻合较好，验证了所提敲击评价指标的准确性。
4 结论
（1） 样车三挡激励频率与箱体的3阶固有频率以及齿轮传动系统的8阶固有频率接近，整个变速器系统在900 Hz左右的频率范围内发生强烈共振，从而引起传动系异常振动。
（2）样车三挡加速工况下齿轮动态啮合力及轴承处动态响应均在发动机转速2 500 r/min时出现异常峰值，变速器处产生异常振动，且较强的振动成分均与三挡在挡齿轮的啮合阶次相关。
（3） 样车二挡、三挡全油门加速工况下均在发动机转速1 500 r/min 左右发生齿轮敲击现象，说明变速器齿轮敲击一般发生在低转速工况下，分析结果与实际吻合。
（4）从空挡齿轮啮合冲量的角度提出了一种变速器齿轮敲击的评价指标，对样车的评价结论与试验结论吻合较好。
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