对重型货车变速箱振动噪声的测试分析

对重型货车变速箱振动噪声的测试分析

张兴1刘甲2

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陕西法士特齿轮有限责任公司陕西宝鸡722409

摘要：随着人们对社会环保的重视，为了应对越来越严重的汽车油耗问题，我国政府积极出台多项政策法规引导并扶持汽车公司发展新能源汽车。与传统汽车不同的是，新能源汽车可以由电动机取代发动机作为动力源，只需要配备一台单（两）挡变速箱便可满足车辆使用需求。变速箱的主要作用是在减小转速的同时增大输出扭矩，以使车辆具有良好的动力性。事实上，变速箱工作时，其内部的啮合齿轮副很容易发生冲击并辐射噪声，而且当齿轮冲击传递到壳体上时与壳体产生共振而扩大噪声。由于变速箱的工作正常与否往往涉及到动力总成甚至整车的工作性能，而变速箱的振动噪声等级能够从客观上表明它的工作状态，使得其逐渐成为衡量变速箱质量水平的重要指标。

关键词：汽车变速箱；噪声信号；振动信号；时域分析

1试验测试系统组成

测试系统组成如图1所示，测点布置有以下几个原则：（1）能在变形后明确显示在试验频段内所有模态的变形特征；（2）保证变速箱振动故障位置附近要有测点布置。在变速箱壳体上布置63个结构点作为响应点，每组测试10个结构点，每个结构点分横向、轴向和垂向3个测量方向共189个测量振动信号数据，总共分七组进行测试。

图1变速箱测试系统组成

2变速箱内部噪声源与评价

速箱内部噪声主要分为5种:由齿轮啮合冲击与激发振动产生的“呜呜声”；由传动系扭转振动所引起的零部件松动而产生的“咔啦声”；由有间隙零部件在开始加载时产生敲击的“哐当声”；由同步啮合功能不正常导致的同步器毂短齿出现的“换挡噪声”和由滚动轴承发出的“轴承噪声”。这5种噪声产生之后，将通过介质传递到变速箱壳体上，对变速箱壳体产生激励，如果该激励频率接近变速箱壳体的自然振动频率，振动就会得到进一步放大，因而会产生更高的噪声级。因此合理的变速箱壳体结构设计能够有效避开内部振动频率，从而削弱变速箱内部噪声。

在评价变速箱噪声过程中，驾驶人、乘客以及整车外部的人对这种噪声的主观感觉极为重要，因此整车开发过程中需要对整车的噪声进行专业的评价，常用的评价标准是“ATZ评价”。变速箱内部噪声源经过传播路径的叠加之后形成响应，对于变速箱来说，内部噪声源与外部传递的媒介便是变速箱壳体，如果噪声源的振动频率与壳体产生的振动频率一致，会将噪声增强，如果能够将变速箱壳体所受激励的频率能够与噪声源的频率错开则能够有效削弱噪声，即壳体振动频率与噪声源频率错开。

3变速箱异响及产生原因

最常见的传动系统NVH问题有齿轮啸叫噪声、齿轮敲击噪声、轰鸣声等。不同的噪声现象有不同的频率特征、不同的激励机理和不同的解决办法。其中齿轮啸叫噪声是较为常见的现象。啸叫噪声为单一阶次的高频噪声，其频率范围一般在700Hz～4kHz，一般在车辆的低负荷区产生，该高频噪声会给乘客带来不舒适的感觉，大大降低车辆品质。齿轮啸叫噪声问题的主要根源是传动系的齿轮啮合本身。齿面接触的变化激励起变速箱的周期性振动。变速器异响主要包括啸叫和齿轮敲击。变速箱齿轮啸叫噪声产生的根源为齿轮啮合传递误差，啸叫的产生为多自由度系统的受迫振动过程，主要成因为轮齿有限刚度导致的啮入、啮出干涉/不平稳；壳体、轴承、轴等的变形引起啮合偏载，导致齿轮端啮合干涉、齿轮有效重合度降低、有效重合度变动过大，传递误差加大；齿轮重合度突变导致了齿轮啮合刚度的时变特性（总接触线长度时变），导致振动和动态激振力。齿轮敲击噪声根源为轮齿主动和从动齿面交替碰撞，齿轮敲击过程为多自由度系统受阶跃激励后的响应过程。敲击噪声：低档、低转速以及怠速工况下多发。

4变速箱壳体设计对变速箱总成噪声影响

4.1变速箱壳体表面不能有较大平面

速箱壳体的表面积较大，在设计时经常会有平面区域设计，如果存在较大平面会将变速箱内部噪声放大。如同鼓平面，当敲击鼓表面时，鼓声会瞬时产生而且持续时间较长。变速箱壳体表面如果存在较大平面，当内部噪声源产生噪声时，变速箱壳体会比较容易产生振动，从而将噪声传递出来。图2、图3是某公司变速箱壳体表面的设计。图2存在较大平面，对变速箱内部噪声与散热均有不利影响，而图3设计不但能够增强壳体强度而且有助于变速箱内部噪声抑制和散热。经过CAE仿真模拟计算，图3的结构能够有效避开变速箱内部噪声源的频率，消除共振现象。

4.2变速箱壳体表面加强筋的合理布置

变速箱壳体要承担整个变速箱总成的重量以及需要传递内部动力与转矩，因此变速箱壳体的强度必须充分考虑。提高变速箱壳体强度的主要方法便是增加壳体表面的加强筋，这个加强筋不但能使变速箱壳体的强度提高，而且还能有效散热和降噪。为了得到更好的降噪效果，变速箱壳体加强筋的布置有如下几个原则：1）壳体加强筋的走向应沿着法向主应力的方向；2）支撑壁上的加强筋应从轴承孔开始向四周辐射，呈星形布置；3）用带有大的曲率半径（r=1.5tw）的宽（b=(1-2)tw）加强筋加强纵壁，tw为壳体壁厚；4）有间隔（s=(5~15)tw）的大加强筋能获得良好的传声特性。

某公司一款自动变速箱的主壳体，该壳体的上端面的平面不能有效抑制噪声源，导致变速箱噪声不能满足设计要求。

在1350Hz状态时，该变速箱壳体产生较为严重的共振现象，此时也不能有效地制约噪声。经过试验与分析，最后重新布置变速箱壳体上端面的加强筋的布置方案，使该变速箱的壳体降噪性能得到有效提升。经过优化的变速箱壳体对噪声的抑制作用较为明显，能够有效地降低变速箱的噪声。因此合理的变速箱壳体设计对噪声的影响有着至关重要的作用。

4.3主变速箱优化设计方法

①采用变位齿轮传动，机床主变速箱一般为降速设计，主动轮直径小于从动轮直径，主动轮采用正变位齿轮，从动轮采用负变位齿轮，可以有效提高齿轮传动的啮合重合度，提升齿轮传动平稳性，减小啮合刚度曲线的振动幅值。②在强度和结构允许的情况下，适当减小模数m，可以有效提高齿轮啮合频率f，避免高速运转情况齿轮啮合频率与固有频率重合，产生声波干涉，引起共振；同时还能适当增大齿轮的重合度系数，使传动更加平稳。主变速箱设计及配齿过程中，尽量将传动齿轮设计为互为质数的齿轮齿数，各级级比设计为无理数，这样的条件下，齿轮传动过程中各级齿轮啮合频率及倍频将不会产生重叠，确保声波不会干涉，有效控制噪声强度，减小噪声分贝。

变速箱啸叫主要由变速箱齿轮安装、加工误差等原因造成，啸叫噪音的特征为窄带谱，频率随转速变化而变化（阶次噪声）；一般出现在低转速区间，高转速时发动机噪声过大会将啸叫声掩盖。主要解决方案为CAE优化微观齿形、提高齿轮精度。变速箱敲击主要由发动机升功率和扭矩过大、齿轮精度、惯量大小等原因造成。敲击音的体征是宽频带噪声，出现在低转速区间；声音刺耳，令人感到不快；噪声的频率没有明显的峰值；主要解决方案为CAE优化传动系隔振、匹配DMF。通过对样车评价后打分确认是否满足市场销售条件，为样车整改提供依据。

参考文献：

[1]马维金，吴文轩，王俊元，张纪平.汽车变速箱振动噪声时频域分析[J].机械传动，2017，41(01):96-99.