汽车传动系NVH研究方法及趋势论述
摘要：传动系作为汽车的主要组成部分，可能产生多种NVH（噪声、振动、声振粗糙度）问题。以前置后驱传动系为例，介绍常见典型传动系NVH问题的产生机理及治理思路。从试验分析和仿真分析两个方面，对传动系NVH问题研究方法进行详细论述。在电动化、智能化背景下，总结了传动系NVH控制技术发展趋势及面临的挑战。
发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。传动系一般由离合器、变速器、传动轴、驱动桥等部件组成，但根据不同的驱动形式，包括前置前驱（FF） 、前置后驱（FR） 、后置后驱（RR） 、中置后驱（MR） 、全时四驱（AWD） 、分时四驱（Part-Time４WD） ，传动系的组成会有所差异。为了满足汽车的实际驾驶需求，传动系还具有变速、变扭、中断动力、倒驶、变角度传动、不打滑转向等功能。对电动车而言，由于电机具有零转速即可达到最大扭矩、输出转速高、可以反转等优点，因此电动车传动系比较简单，由减速器和半轴组成。在车辆运行过程中，传动系直接承受来自动力源的激励，会产生多种NVH问题。在售后反馈中，与传动系NVH相关的投诉一直占有较大比例。因此，在新车型开发过程中，传动系NVH控制是必不可少的环节。在汽车NVH开发团队中，通常会设置专门的科室，负责传动系NVH控制技术研发及相关问题解决。常见的传动系NVH问题频率主要分布在２Hz～６ ０００Hz范围内。根据前置后驱车辆传动系的结构，传动系主要的NVH问题及产生位置如图１所示。图１中，传动系扭转共振现象、离合器锁闭过程中颤振现象、齿轮敲击噪声现象、变速器啸叫噪声现象以及传动系冲击现象，是各种类型的传动系中出现频率最高的NVH问题。传动系扭转共振现象是国内外专家、学者研究最多的问题之一。传动系是由具有惯量、刚度和阻尼特性的部件组成的系统，因此存在固有频率和振型，当外部激振力的频率与传动系固有频率相同时，系统便会发生共振，其响应幅值远超过激振力幅值，共振响应通过结构路径传递至车身，引起车内钣金件共振，从而导致车内舒适性的问题。离合器颤振现象出现在离合器结合过程中。这种振动现象按产生的机理分为两种：一种为离合器摩擦材料的摩擦因数负梯度导致的自激振动[１]；另一种为压盘不平度、变速器输入轴不对中等形位偏差引起的强迫振动[２]。齿轮敲击主要发生在非承载的空套齿轮副之间。空套齿轮在旋转方向上没有约束且与主动齿轮存在间隙，发动机转速波动经过离合器传递至变速器主动齿轮，主动齿轮带动空套齿轮转动，产生角加速度变化，从而导致空套齿轮惯性力矩不断变化。根据敲击阀值理论[３]，当空套齿轮的惯性力矩大于拖拽力矩时，空套齿轮将与主动齿轮失去接触，当二者再次接触时，即发生敲击现象。强烈的齿轮敲击将产生宽频带噪声[４]。变速器啸叫现象一般出现在承载齿轮副上，在车辆加速和滑行工况中均有可能产生齿轮啸叫问题。轮齿交替啮合产生的时变刚度，加工、装配产生的误差以及轮齿啮入啮出产生的冲击，是引起齿轮啸叫问题的主要激励源。啸叫噪声具有明确的阶次特征，齿轮啮合产生的动态激励经过齿轮轴和轴承传递至变速器壳体，壳体辐射噪声进一步通过空气和结构路径传递至车内。传动系冲击现象一般发生于急加速或急减速工况。由于传动系统包含的齿轮副、花键副、万向节等部件内部不可避免地存在间隙，当系统的扭矩或负载突然发生变化甚至反向时，传动部件之间发生碰撞，往往表现为一声短暂、响亮的金属撞击“咔哒”声以及伴有较为明显的振动现象。针对传动系常见NVH问题，可以按照“源—路径—响应”的模式进行治理，一方面可以控制激励源，比如降低激振力或改变激励特性；二方面可以通过路径进行隔离，针对空气路径可以优化声学包，针对结构路径可以提升悬置隔振率、优化安装点动刚度等；三方面可以改变响应系统，既可以通过结构优化从而改变响应系统特性，也可以通过主动控制的方式，在响应系统内加入抵消原有响应的成分，从而达到消除驾乘人员不适感的目的。任何一个NVH问题的解决，仅通过“源—路径—响应”中的一个方面进行优化，往往难以取得满意的效果，只有综合考虑三者，才能找到最佳的解决方案。近年来，国内外对传动系NVH问题的研究更为深入和具体，从最初的分析机理、基于较简化模型进行现象仿真，逐步朝着建立考虑更多影响因素且研究对象更为细致、更加符合工程实际的动力学模型，提出传动系NVH问题新的影响因素，从主动控制和传动系部件结构设计的角度去解决某些NVH问题等方向发展。同时，传动系NVH问题的测试手段也得到快速发展，尤其是在传动系NVH专用测试台架的建设与应用方面；基于台架的测试和分析规范逐步完善，为解决传动系NVH问题提供了强有力的工具[５]。目前，对汽车传动系NVH问题进行研究大致遵循如下路线：（１）首先，对问题进行主观评价，初步确认问题工况及表现。然后有针对性地设计实验方案，包括测试方式、信号种类、测试工况等。有时为了获取更为全面的测试数据，除了测试传动系相关信息外，还需要测试传递路径的特性。（２）通过图纸、数模、逆向建模等方式，获取传动系动力学参数，对于传动系所包含的阻尼参数往往难以获取，通常需要根据经验值或经验公式进行初步设定。（３）传动系是多自由度、非线性振动系统，针对尚未研究过的传动系，目前难以做到首次即正确的程度，将仿真结果与测试数据进行对比，验证模型的有效性，这一过程在建模中最关键也最费时，可以采用多工况依次验证的方式，确保验证结果的可靠性。（４）对通过仿真分析得到的优化方案，需要进行工程化评估，综合考虑优化效果、成本变动情况以及对其他性能的影响等因素，制造样件并搭载实车进行验证。如果该现象得到改善或消除，则该方案可以保留并付诸实施。传动系NVH试验根据测试场地（如图２所示）分为：实车道路试验、实车转毂试验和传动系台架试验等。实车转毂试验的优势在于转毂半消声室内没有风噪的影响，且鼓面相对平整，路面不平带来的激励可以消除掉。传动系台架试验对研究NVH问题更具针对性，台架具有边界条件简单、易于调整工况、干扰因素少、问题更易凸显等优势，适合用于研究产生机理及指导仿真分析.试验研究中NVH问题的特征测试、验证优化或解决方案都会涉及到对该现象的评价。评价分为客观和主观评价，主、客观评价需要相互结合。客观评价通过分析试验数据，用量化的指标，如振动的加速度值、噪声的声压级等指标去衡量振动或噪声现象的强弱，可以选用绝对值或相对值的方式进行评价。为了更好地控制传动系NVH性能，通常将指标分为整车级、系统级、部件级和零部件级，形成控制指标体系，有时关联系统的目标也需要一并列出。主观评价则是通过用户或测试人员对车内外振动、噪声的直观感受，感觉声音是安静还是嘈杂、悦耳还是刺耳，感觉振动大小和舒适性[６]。通过仿真手段研究传动系NVH问题，首先需要对传动系进行抽象，形成力学模型，然后根据相关动力学原理得到对应的数学模型，最后在数学模型中加入合适的算法就可以得到仿真模型[７]。传动系NVH问题根据表现形式可以分为稳态问题、瞬态问题和过渡工况问题，按作用方式可以分为振动问题和噪声问题，而噪声也是由振动引起的，因此对噪声问题通常也是从振动角度进行研究，按照振动位移的方式又可以分为扭转振动、弯曲振动、纵向振动以及它们之间相互耦合振动。根据具体问题，通过建立系统动力学、多体动力学、结构动力学系统及混合模型对传动系NVH问题进行研究。通过集总参数法建立系统动力学模型是传动系NVH问题分析过程中最常用到的方法。将传动系简化为只有惯量没有刚度的惯量盘、只有刚度没有惯量的弾性轴以及粘性阻尼，形成由“惯量—刚度—阻尼”组成的离散系统。系统动力学模型的优点在于所需建模参数少、模型易于扩展、建模效率高，缺点是由于在建模过程中对传动系做了简化处理，因此系统动力学模型主要用于对传动系扭转共振、齿轮敲击、离合器颤振等问题进行定性分析。多体动力学模型由于建模思路清晰，模型精度相对较高，在工程中应用也很广泛。常见的传动系NVH问题都可以通过建立多体动力学模型进行研究，根据问题表现的频率范围，进一步又可以建立多刚体、多柔体或刚柔耦合模型。利用系统动力学建立的是离散质量模型，而利用结构动力学建立的则是连续质量模型，更贴合传动系实际状态。工程上主要是通过有限元法建立结构动力学模型，适合对仿真精度要求高的情况。传动系工作过程中，多种形式的振动噪声问题往往是依次出现的，且问题之间可能存在相互影响，对于这类问题，可以建立系统、结构动力学混合模型，尽可能地模拟传动系的真实工作状态，既可以提升仿真精度又可以提高解决问题的效率。混动系统需要在多种模式下进行切换，尤其是混联车型，涉及的模式切换最为复杂。在模式切换瞬间，系统所传递的扭矩会发生突变，从而会导致冲击问题出现。冲击类问题往往难以完全消除，只能通过优化降到可以接受的程度。对混动传动系进行优化分析，仅分析其NVH性能往往不能满足工程实际需求，需要将NVH性能与驾驶性、动力性、经济性一并考虑进来。同时考虑多种性能属性，对传动系NVH工程师来说具有一定挑战性。一体化、高速化、多档化的电驱总成是发展趋势。一体化的电驱总成，将是电磁、机械、齿轮啮合激励耦合作用的系统，需要在分析工具中同时考虑以上激励。高转速意味着齿轮的线速度更高，给分析齿轮啮合状态带来了新的挑战，同时，对测试台架也提出了更高的要求。从提升NVH性能的角度对电控系统进行优化，建立NVH与标定的关系，对提升电驱总成NVH性能具有重要意义。人工智能技术在医疗、交通、工业制造等多个领域展示出了良好的应用前景。汽车企业在向数字化、网络化、智能化转型，将人工智能技术与传动系NVH控制技术相融合，从而实现传动系NVH问题的自动识别。目前已有多家主机厂及汽车技术研发机构在积极推动这项技术的研发与应用。（１）在传动系工作过程中，可能会产生多种NVH问题，可以按照“源—路径—响应”思路对其产生机理进行分析，找出主要影响因素。同时考虑性能平衡、成本等因素，从激励源、传递路径和响应系统三个方面进行优化，找到问题的解决方案。（２）对传动系NVH问题的研究可以分为试验和仿真两个方面。通过试验既可以得到问题的特征并分析产生机理，又可以验证解决方案的效果。仿真 主要是为了分析系统的固有特性、强迫振动响应以及关键参数灵敏度。采用仿真分析与试验研究相结合的方式，可以更深入地揭示传动系NVH问题的产生机理，为解决问题提供更多方案。（３）混合动力传动系工作模式多样，解决模式切换过程中带来的冲击问题具有挑战性。电机高速化的发展趋势，给纯电动汽车传动系NVH测试和仿真分析都带来了挑战。人工智能技术在多个领域都起到了良好的作用，推进人工智能技术与现有技术融合，将技术转化为软件，也是传动系NVH控制技术的发展趋势之一。作者单位：（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 ３００３００）
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首次发布时间：2023-04-22
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