手动变速器啸叫问题仿真分析及优化

葛琳，李鹏，姜彦斌，张小坤

（华晨汽车工程研究院 动力总成部，辽宁 沈阳 110141）

前言

随着人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，变速器啸叫问题也越来越容易引起客户的抱怨。变速器啸叫是一种高频噪音，在加速和反拖工况均会出现，且较容易被人耳识别，所以对变速器啸叫噪声进行优化会明显改善整车NVH性能。

本文以某六速手动机械变速器为研究对象，首先进行整车NVH噪声测试，利用阶次分析确定了啸叫特征阶次，然后借助ROMAX仿真软件对齿形齿向修形进行仿真研究，通过优化齿轮设计参数，降低齿轮传递误差，使该变速器啸叫问题得以解决。

1 变速器啸叫噪声产生机理

齿轮的传递误差是变速器啸叫的主要激励源，传递误差产生的原因一方面是齿轮本身的因素，如齿轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、有效齿宽、鼓形量、刚度等；而另一方面是相关件如壳体、轴承、轴的变形以及轴承的间隙等因素导致的偏载，最终导致啸叫噪音的出现。

2 变速器啸叫NVH测试

2.1 噪声测试点布置情况

测试基于整车状态，在整车消声室内进行。在驾驶员右耳位置（驾驶室内噪声测点）及变速器壳体表面（变速器近场噪声测点）分别布置MIC及振动传感器进行噪音采集。

图1 整车噪声测试点布置

2.2 测试工况

为测试变速器的整体噪声水平并系统分析变速器的噪声特性，对2档、3档、4档、5档、6档进行全转速段加速及反拖工况测试。

2.3 噪声源识别及阶次分析

阶次分析法采用的是等角域采样，即旋转机械每转过一定的角度采一次样[1]。对于非稳态噪声信号，特别是对于汽车发动机、变速器等转速变化的旋转机械，采用等角度采样的“阶次分析法”能有效避免传统的等时间间隔采样的频谱分析法产生的频率混叠现象，从而能够清晰地分辨出各旋转部件（对应不同阶次）对整体噪声的贡献[2]。

对阶次的分析要从档位阶次及主减阶次两方面同时考虑。档位阶次即为该档主动齿轮的齿数，主减阶次为主减主动齿轮齿数与该档速比的比值。根据该变速器各档位齿轮齿数，计算出各档位齿轮和主减齿轮的阶次，如表1所示：

表1 档位齿轮及主减齿轮阶次

图2 变速器噪声测试数据

从测试结果中发现，三挡测试数据亮带较明显，且与该挡位阶次相符，可初步判断三挡齿轮是造成该档位啸叫噪声的根本原因。图2中，上方曲线为三挡时档位齿轮产生的壳体表面振动加速度，下方曲线为三挡时主减齿轮产生的壳体表面振动加速度。随着转速的上升，噪声主要集中在31阶次，在转速达到4000rpm左右时壳体表面振动加速度达到最大值15m/s²。

3 ROMAX模型建立及仿真分析

3.1 系统模型建立

通过ROMAX软件，分别对轴、轴承、同步器、齿轮、花键进行几何建模，根据变速器总成内部结构来确定各轴上的轴承和齿轮的相对位置及齿轮与轴、轴承与轴的安装关系，最后确定输入轴、输出轴及差速器轴的相对空间位置，如图3：

图3 齿轮传动系统虚拟样机仿真分析模型

3.2 变速器仿真分析及试验对比

通过ROMAX软件集成的动力学分析模块，结合实测数据，对三挡运行时的接触应力分布、齿轮传递误差及壳体表面的振动响应加速度进行分析，如图4。

图4 三挡齿轮微观修型前接触应力分布

从仿真分析结果来看，三挡齿轮在啮合时存在严重的偏载情况，齿轮传递误差为1.3um（图5），根据经验值，变速器传递误差峰值目标应控制在1um以内。通过ROMAX模拟分析出的壳体表面振动加速度与 NVH测试数据趋势比较接近（图6），进一步验证了NVH测试的准确性。

图5 三挡齿轮传递误差

图6 壳体表面振动加速度

4 变速器齿轮噪声控制及优化

变速箱工作时，载荷变幅较宽，又因制造和加工误差、轴系的安装扭转变形、轮齿的接触变形、轴承间隙等复杂因素的影响，导致变速器齿轮副沿齿宽方向的齿形偏离理论轮廓，造成十分严重的载荷集中现象，从而加剧噪音，降低寿命[3]。通过对齿廓及齿向的微观修形，可减少由制造、加工误差及轮齿变形导致的啮合冲击，从而有效提高变速器齿轮的承载能力及啮合性能。

表2 齿廓修形参数

表3 齿向修形参数

根据相关公式及ROMAX软件优化后得出齿轮修形量（见表2、表3）并导入软件中，在100%载荷的工况下，通过齿轮微观修形，接触区域出现在齿面的中部，偏载现象未再出现（图7），齿轮传递误差的峰值由原来的1.3um减小到0.5um（图 8），壳体表面振动加速度的最大值从 15m/s²减小到 9 m/s²（见图 9）。

图7 三挡齿轮微观修型后接触应力分布

图8 三挡齿轮微观修型后齿轮传递误差

图9 壳体表面振动 加速度对比

5 结论

本文通过NVH测试对变速器噪音进行采集，并对采集的数据进行阶次分析及识别，确定出现问题的具体档位及齿轮，再运用ROMAX软件进行仿真建模，通过微观几何修形改变齿轮接触斑点，降低齿轮传递误差的峰值，分析出了齿轮微观修形前后问题档位齿轮振动引起壳体表面振动加速度。通过仿真分析表明，微观几何修形可降低变速器啸叫噪声，从而提升了整车NVH品质。