汽车变速器啸叫研究综述

袁理 徐中明 袁琼 郭能

摘要：汽车变速器噪声对汽车声学舒适性具有较大影响，而啸叫是其主要噪声之一。文章对变速器啸叫的国内外研究现状进行了分析，分析了啸叫产生的机理，同时结合国内外对变速器啸叫的研究和产生机理，提出了三种控制变速器啸叫的措施。

关键词：变速器啸叫 研究现状 机理

1 概述

随着人们生活质量水平的提高，消费者越来越重视汽车声学舒适性，作为汽车动力传动系统中的一个主要组成部分的汽车变速器，噪声是车辆声品质的重点评价项目之一，变速器研制工作的核心内容之一就是控制变速器的噪声，尤其是控制变速器的啸叫。

变速器的噪声分为敲击和啸叫两种，变速器敲击主要是由于变速器输入端扭矩波动引起非承载齿轮轮啮合冲击产生。变速器啸叫是由于齿轮系统啮合过程中齿对的传递误差而产生，变速器啸叫易于被用户感知，具有如下的明显特征：

第一，与齿数等相关且具有明显的阶次特征。

第二，由工作承载齿轮对产生。

第三，有可能出现在中高频和较宽的转速范围内。

第四，啸叫在箱体的固有模态被激励共振后表现更为显著。

2 国外研究现状

国外对变速器噪声的控制研究较多[1-12]，对于导致变速器啸叫产生的机理性研究，Tadashi TAKEUCHI，Sarah Curtis[3-4]等人开展了深入细致的研究工作，他们对引起齿轮啮合激励的传递误差产生机理和影响因素进行了理论剖析，利用专业软件建立了传动系统的传递误差CAE计算模型和数值预测及优化方法，搭建了专门的传递误差测量台架进行验证，为在产品开发前期进行啸叫预测及激励源优化找到了有效的方法和工具。Andrew Smith[5]研究了行星齿轮系统中各种变形和间隙对传递误差的影响，特别是深入研究对比了行星齿轮销的径向、周向、倾斜位置误差对传递误差的影响，得到了圆周方向的倾斜相对其它方向影响更大的结论。Zdenek Neusser[6-9]等人为了预测齿轮的动态啮合特性建立了齿轮接触多体动力学模型，比较了不同详细程度的齿轮接触模型的仿真结果对比，并搭建了双电机齿轮啮合特性测量台架进行验证。

结构声辐射理论随着现代声学理论的发展得到了巨大的发展，同时在汽车发动机表面噪声辐射的研究中得到了广泛的应用。近些年，国外一些工程师鉴于结构声辐射理论应用于发动机降噪研究的成功也将其引入了变速箱的降噪研究中[10-12]。目前我国也开始对基于变速器箱体表面噪声辐射进行研究。

从原理上，辐射数值法分为离散方法（有限元法、边界元法和无限元法）和能量方法（统计能量法和能力有限元法）。对结构声场的仿真主要基于声辐射数值方法重构结构的声场，目前基于边界元理论主要采用最小二乘法对结构声场进行重构。

此外，在模态分析的基础上，国外工程师提出了一些新的研究方法并开发了一些相应软件，其中有些已经在实际工程中得到应用并取得良好的效果。

LMS Virtual Lab软件由于能够对空腔的声场分布和声学载荷引起的声学响应进行分析，因此具有十分强大的功能，它是比利时的LMS公司开发的全球声振设计和优化的先驱。计算得到的结果包括：声压、辐射功率、质点速度、声强、板块贡献量、能量密度、声振灵敏度等，尤其是在声学有限元求解器做外场声学分析方面（如发动机噪声辐射）发展的FEM PML/AML技术都取得了突破性的进展，从而快速帮助噪声控制工程师优化产品的声振特性。

德国的HEAD公司长期研究人工头，其开发的双耳采集系统完成模拟人耳的特征，在主观评价噪声方面发挥了有利的作用。此外，将Artimis软件应用于声音回访和阶次互动滤波两项功能，能够更加容易地辨识噪声源，因此，此软件具有强大的数据处理功能。

3 国内研究现状

对于变速器啸叫的产生和控制研究，国内的专家学者也作了大量的研究总结[13-22]。文献[17]通过振动噪声台架试验识别出产生啸叫的主要激励源是齿轮副的啮合冲击，提出通过减小侧隙、增大重合度、轮齿的微观修形等对齿轮副进行优化，以降低变速器由于齿轮产生的啸叫声音。文献[18]提出齿轮在啮合传动过程中所受的激振力是产生齿轮噪声的根本原因，并分析了齿轮宏观设计参数、齿轮精度、齿轮工作条件对噪声的影响。文献[20]提出根据机理的不同，齿轮系统中可将噪声分成加速度噪声和自鸣噪声两种，且由于齿轮动态啮合力作用下，系统各零部件产生振动通过传动轴引起支座振动，从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来的自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源，并从齿轮设计、齿轮加工、轮系及齿轮箱装配、输入扭矩等方面探讨了对齿轮噪声的影响程度和减噪控制优化设计方向。文献[23]结合工作实际，对齿轮剃齿加工修形工序控制进行了摸索，通过齿轮轮齿的齿向和齿形修形明显改善了齿轮传动的平稳性，并通过对齿轮轮齿的齿顶和齿根的修缘，有效地改善了齿轮的啮合性能，降低了齿轮的噪声和振动，延长了齿轮的使用寿命。NSK中国技术中心的专家[13]提出变速器轴承固有的振动噪声特性将影响变速器的啸叫表现，轴承类型、轴承支承刚度、轴承预紧等都对变速器啸叫有明显作用。

文献[24]采用有限元和边界元联合的方法，在变速器仿真技术方面分析研究了变速器箱体的辐射噪声和箱体受到的激励载荷。然后进行强迫振动有限元的数值仿真计算并进行试验验证，最后将振动的有限元计算结果作为箱体边界元模型的边界条件进行噪声辐射的数值仿真计算。根据计算的结果，对该箱体的结构进行有针对性的加筋强化，结果表明，进行加筋处理后的箱体噪声辐射能得到有效的抑制。

4 变速器啸叫声产生机理

对于变速器啸叫的控制和优化工作，主要集中在变速器本体和整车传递路径的振动和噪声特性研究上。通过利用仿真和试验工具进行分析优化，降低变速器各挡所含阶次的振动和噪声水平，最终达到提升变速器啸叫性能的目的。

根据变速器噪声产生机理分类，均为变速器齿轮箱内部啮合激励产生的结构噪声。根据车内感知的变速器阶次噪声的传播途径，一般又可以分为直接传入车内的空气辐射啸叫噪声和通过结构传递路径传入车内的结构啸叫噪声两方面。前者由变速器齿轮箱内齿轮啮合激励通过齿轮轴系将振动能量传递到壳体表面，变速器壳体表面的振动带动气体分子的振动以纵波的形式传递到车内；后者则是将变速器壳体表面的振动通过悬置、拉索等结构传递路径，将振动传给车身、车内面板件向车内辐射噪声。另外还有一种可能性是变速器内部齿轮对啮合时直接发声，并直接通过空气传入车内，但实际情况中齿轮箱体是一个较厚实的隔声密闭系统，此部分直接啮合声传入车内的可能性或贡献量很小。图1给出了变速器啸叫噪声产生及传播路径。

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5 总结

结合国内外对变速器啸叫声的研究和变速器啸叫噪声产生及传播原理，若要对变速器的啸叫噪声进行控制，可以分别或综合采用以下措施：

措施一：降低变速器齿轮啮合激励（输入）。如通过优化轴系布置、提高齿轮轴系刚度、调整齿轮宏观和微观参数，降低齿轮传递误差，使齿轮啮合力尽量小且波动幅值小。

措施二：优化变速器结构和悬置、拉索等部件（传递函数）。提高变速器结构件刚度将系统的固有模态频率移除激励频率范围之外、增大结构阻尼从而减小响应幅值、消除振动传递通道或改善整车传递路径，如提高齿轮轴系刚度（增大直径或加筋），提高声辐射能力占主导的变速器壳体刚度（设计高刚度壳体骨架、增加零部件加强筋、增加螺栓连接）；或者对激励振动路径作隔振减振处理，隔断能量传递路径或减小能量的传递。

措施三：隔声优化响应。利用隔声材料，阻断部件表面振动向大气辐射噪声。如发动机舱吸声绵、车内内饰吸声件的使用。

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基金项目：

重庆市科技攻关项目cstc2012gg-yyjs60001资助。

作者简介：

袁理（1963-），男，重庆人，重庆科技学院副教授，双学士学位，主要从事车辆工程的教学与研究。