隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，公眾對(duì)車(chē)輛安全性、駕駛性以及駕駛艙舒適性提出較高要求，提高汽車(chē)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise vibration harshness，NVH) 性能可以有效提升汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。變速箱是汽車(chē)動(dòng)力總成的重要組成部分，變速箱噪聲是整車(chē)噪聲的重要來(lái)源之一，對(duì)整車(chē) NVH 性能影響較大。傳動(dòng)齒輪是變速箱的核心部件，其振動(dòng)是變速箱振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源，對(duì)變速箱傳動(dòng)齒輪的振動(dòng)控制是改善整車(chē) NVH 性能的關(guān)鍵。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)變速箱及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) NVH 性能的研究主要集中于優(yōu)化變速箱結(jié)構(gòu)，關(guān)于傳動(dòng)齒輪齒廓形狀對(duì) NVH 影響的研究較少。本文中基于某款轎車(chē)用自動(dòng)變速箱，根據(jù)傳動(dòng)齒輪的齒廓形狀差異，以齒廓存在 S 形曲線的齒輪(下文簡(jiǎn)記為 S 形齒廓齒輪) 為研究對(duì)象，分析齒廓誤差對(duì)整車(chē) NVH 性能的影響。
一、振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理
齒輪噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪副的傳遞誤差，傳遞誤差 δTE是描述齒輪傳動(dòng)不平穩(wěn)性的參數(shù)，示意圖如圖 1 所示。由圖 1 可知：當(dāng)主動(dòng)齒輪齒廓 A 和被動(dòng)齒輪齒廓 B 相嚙合時(shí)，被動(dòng)齒輪應(yīng)被主動(dòng)輪勻速帶動(dòng)，但由于嚙合的齒輪副存在制造、裝配誤差以及齒面受載變形等原因，被動(dòng)齒輪的實(shí)際齒廓會(huì)在 B' 處，主動(dòng)齒輪齒廓 A 需多轉(zhuǎn) 1 個(gè)角度 δ，沿嚙合線繼續(xù)移動(dòng)一個(gè)附加距離，這個(gè)附加距離即為 δTE。
圖 1 齒輪副傳遞誤差示意圖
理想情況下，如果齒輪傳遞動(dòng)力時(shí)非常平穩(wěn)，則發(fā)出的聲音非常微小。由于存在 δTE，使齒輪副在嚙合( 嚙入、嚙出) 時(shí)偏離了理論嚙合線，輪齒發(fā)生沖擊，引起傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。在振動(dòng)傳遞到變速箱外部結(jié)構(gòu)的過(guò)程中產(chǎn)生共振而引發(fā)噪聲。當(dāng)齒廓誤差增大時(shí)，齒輪的 δTE增大，致使嚙合齒輪副間的摩擦、變形、沖擊加劇，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，減小 δTE 可有效改善齒輪傳動(dòng)噪聲。
二、試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析
S 形齒廓：某齒輪齒廓測(cè)量曲線如圖 2 所示。由圖 2 可知：該齒輪齒廓上存在明顯的 S 形曲線，如圖中紅線所示。齒廓上的 S 形曲線主要是由齒輪制造過(guò)程的加工精度不夠、設(shè)備裝夾精度不夠、刀具壽命設(shè)定不合理等原因?qū)е隆?/p>
圖 2 齒輪齒廓測(cè)量曲線
試驗(yàn)方法：由于傳動(dòng)齒輪的振動(dòng)是變速箱噪聲的主要噪聲源和激勵(lì)源，試驗(yàn)以變速箱中不同齒廓的傳動(dòng)齒輪為基礎(chǔ)，分別搭載同一類(lèi)型變速箱進(jìn)行下線臺(tái)架(end of line，EOL) 振動(dòng)測(cè)試和整車(chē) NVH 測(cè)試，分析不同齒廓對(duì)整車(chē) NVH 性能的影響。
EOL 振動(dòng)測(cè)試：變速箱分別裝配正常齒輪、S 形齒廓齒輪，進(jìn)行 EOL 振動(dòng)測(cè)試。通過(guò)安裝在臺(tái)架測(cè)試設(shè)備上的振動(dòng)傳感器采集變速箱豎直方向上的振動(dòng)加速度，振動(dòng)傳感器布置在變速箱殼體(表面) 頂部靠近傳動(dòng)齒輪且剛性較好的位置，EOL 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備如圖 3 所示。EOL 振動(dòng)測(cè)試原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力輸 入到變速箱的輸入軸，通過(guò)軸上的齒輪嚙合將動(dòng)力傳遞給輸出軸，這是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞的路徑，同時(shí)也是變速箱振動(dòng)的來(lái)源，因此，通過(guò)測(cè)量變速箱殼體振動(dòng)評(píng)估變速箱內(nèi)部振動(dòng)，利用采集得到的變速箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 NVH 診斷。
圖 3 EOL 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備
整車(chē) NVH 測(cè)試：整車(chē) NVH 測(cè)試與評(píng)價(jià)通常采用主觀評(píng)價(jià)法，由于個(gè)人主觀感受的差異使得測(cè)試結(jié)果具有較大波動(dòng)。為避免主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的波動(dòng)性，將正常齒輪、S 形齒廓齒輪裝配變速箱再裝載至整車(chē)，在整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙變速箱位置及車(chē)內(nèi)駕駛座人耳右側(cè)位置布置麥克風(fēng)，進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)試，采集整車(chē)噪聲。整車(chē) NVH 測(cè)試設(shè)備安裝位置如圖 4 所示。
圖 4 整車(chē) NVH 測(cè)試設(shè)備安裝位置
試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
EOL 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果：本文中采用振動(dòng)加速度級(jí)評(píng)價(jià)振動(dòng)源和環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度。振動(dòng)加速度級(jí)
式中：as為實(shí)測(cè)加速度，m /s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0 = 10-5 g，其中，g 為自由落體加速度。
變速箱的振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。由圖 5 可知：裝配 S 形齒廓齒輪的變速箱，其振動(dòng)加速度級(jí)明顯高于裝配正常齒輪的變速箱，裝配正常齒輪、S 形齒廓齒輪的變速箱的振動(dòng)加速度級(jí)在 48 階次處的差異最為明顯，分別為 50、81 dB，相差 31 dB。
圖 5 變速箱 EOL 振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)
整車(chē) NVH 測(cè)試：整車(chē)聲壓級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)比如表 1 所示。
由表 1 可知，裝配 S 形齒廓齒輪的整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙聲壓級(jí)為 82 dB，比裝配正常齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)艙的聲壓級(jí)高 12 dB，增幅明顯。由于整車(chē)聲學(xué)包裹改善了車(chē)內(nèi)的噪聲，相比于發(fā)動(dòng)機(jī)艙，駕駛艙的聲壓級(jí)大幅降低，裝配 S 形齒廓齒輪的整車(chē)駕駛艙聲壓級(jí)為 37 dB，比裝有正常齒輪的整車(chē)高 7 dB，NVH 性能表現(xiàn)也相對(duì)較差。
S 形齒廓齒輪的變速箱裝到整車(chē)后，變速箱 EOL 臺(tái)架振動(dòng)加速度級(jí)明顯加大、振動(dòng)能量變大，整車(chē) NVH 測(cè)試表明，NVH 性能變差，給客戶帶來(lái)較差的 NVH 體驗(yàn)。
三、優(yōu)化
消除齒輪的 S 形齒廓是改善變速箱及整車(chē)的 NVH 性能的有效途徑。可以通過(guò)多種措施優(yōu)化齒形，消除 S 形齒廓的產(chǎn)生，首要措施是提高齒輪加工精度，如調(diào)整加工工藝參數(shù)、提高設(shè)備裝夾精度、控制刀具壽命等。經(jīng)過(guò)實(shí)際加工制造驗(yàn)證，在滿足齒輪各項(xiàng)參數(shù)要求的前提下，綜合考慮加工工藝、改進(jìn)成本、改進(jìn)效果等多方面因素，最終確定通過(guò)嚴(yán)格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的 S 形波動(dòng)，改善變速箱及整車(chē)的 NVH 性能，提高變速箱產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
四、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)變速箱 EOL 振動(dòng)測(cè)試和整車(chē) NVH 測(cè)試，研究變速箱 S 形齒廓齒輪對(duì)整車(chē) NVH 性能的影響。結(jié)果表明，S 形齒廓齒輪使得變速箱 EOL 臺(tái)架振動(dòng)能量變大，在 48 階次的振動(dòng)加速度級(jí)增加 31 dB，增幅最大;NHV 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車(chē)內(nèi)駕駛艙的聲壓級(jí)分別增加 12、7 dB，變速箱及整車(chē)的 NVH 性能較差。綜合考慮加工工藝、改進(jìn)成本、改進(jìn)效果等多方面因素，最終確定嚴(yán)格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的 S 形波動(dòng)。