变速器齿轮敲击噪音灵敏度分析方法研究
摘 要：乘用车动力传动系统中变速器齿轮敲击噪声，是由传动轴上空套的齿轮碰撞产生的一种宽频噪声，该噪声会使人产生烦躁感，严重影响车辆的乘坐舒适性和振动噪声性能，是目前乘用车变速器行业亟待解决的NVH 问题。随着变速器向多档化、高效化、自动化方向发展，在变速器设计阶段对敲齿噪声进行控制显得尤为重要。本文以某双离合变速器为例建立AMESIM 一维扭振齿轮敲击仿真模型，通过对变速器空套齿轮敲击形式研究和敲击力大小来预测齿轮敲击风险。通过调整空套齿轮侧隙对齿轮敲击形式的影响说明齿轮敲击影响因子灵敏度的分析方法，该方法对变速器齿轮敲击噪声的设计和优化具有一定的指导作用。关键字：变速器；齿轮敲击；扭转振动；影响因子；灵敏度乘用车动力传动系统中变速器齿轮敲击噪声，是由传动轴上空套齿轮碰撞产生的一种宽频噪声，该噪声会使人产生烦躁感，严重影响车辆的乘坐舒适性和振动噪声性能，是目前乘用车变速器行业亟待解决的NVH 问题。随着乘用车对动力性和经济性提出更高的需求，变速器向多档化、小型化、高效化、自动化方向发展，空套齿轮增多使齿轮敲击噪声风险增大，在变速器设计阶段对变速器齿轮敲击噪声进行正向优化设计就显得尤为重要。乘用车燃油发动机由不同的气缸燃气爆发产生动力的方式决定了传动系统必然存在扭矩波动，根据发动机功率守恒公式可知，转速也会存在波动。转速波动虽然经过双质量飞轮等减振元件衰减，但输入至变速器输入轴仍然存在一定的转速波动。转速波动存在则会引起输出轴上空套齿轮来回的波动，从而产生齿轮敲击现象。国内外专家对变速器的齿轮敲击噪声做了较多研究，如：Mehmet Bozca 通过对变速器内参数优化，使各档位下的齿轮敲击噪声减小了10% 以上；Younes Kadmiri 通过仿真模型与试验模型结合方式，提出了恢复系数( 敲击前后空套齿轮速度比) 概念，用于分析齿轮敲击噪声的敲击特征。毕金亮等通过ADAMS 建立动力传动系统仿真模型，分析了传动系统固有频率、振型、扭转响应和刚度参数对系统的灵敏度。张志军等基于AMESIM 建立了包含多级刚度减振器、齿轮副侧隙的传动系统动力学模型，分析了车辆儒行工况的敲击行为，认为通过调整减振器滞后扭矩或输入轴转动惯量，可以改善敲击现象，而用双质量飞轮替换多级减振器可消除敲击现象。较多的研究是基于整车下去评估变速器齿轮敲击噪声问题，而从变速器设计角度考虑，应提前规避后期出现的齿轮敲击风险，因此，本文采用湿式双离合变速器为例，通过AMESIM 多学科领域复杂系统建模仿真平台，建立变速器扭转振动一维仿真模型，分析变速器稳态过程中变速器内侧隙、刚度、阻尼、惯量等参数对空套齿轮敲击型式和敲击力大小的影响，并研究影响因子不同变化量对空套齿轮敲击噪声的跟随性，根据跟随情况评估影响因子对空套齿轮敲击灵敏度。通过优化灵敏度较高影响因子，以实现快速优化齿轮敲击噪声的一种方法。变速器是通过齿轮副传递扭矩，为了防止齿轮运转过程中不会由于发热膨胀导致卡死现象，齿轮副啮合时必须留有适当的侧隙，同时也为了储存润滑油便于润滑，因此齿轮传动间隙是无法消除的，也就是齿轮的敲击现象是无法完全消除的。又由于燃油发动机的输入扭矩波动无法消除，因此，变速器中输出轴上空套的非承载齿轮受输入轴转速波动影响与空套齿轮发生着敲击，齿轮的敲击振动并通过齿轮、轴系、轴承传至壳体，壳体辐射产生了齿轮敲击噪声。如图1-1 传动结构简图所示，假设五档驱动时，变速器动力由输入轴传入，通过输入轴齿轮与输出轴上齿轮啮合，将动力传递至输出轴空套齿轮，动力经空套齿轮再传至同步器，同步器与输出轴上的花键将动力输出至主减，实现扭矩传递。而其他档位从动齿轮均为空套齿轮，无扭矩输出，非承载的空套齿轮则会与输入轴上的驱动齿发生齿轮敲击现象。理想齿轮啮合时，由一侧啮合并入另一侧啮合随后啮出，这个过程不会存在齿轮敲击现象。但是实际上由于存在侧隙，在啮入时会与被驱动齿轮发生一次敲击，且若受到较大的转速波动时，主动齿反向旋转，会与被驱动齿的另一侧发生碰撞，形成二次敲击，因此空套齿轮会存在敲击的现象。如图1-2 所示，空套齿轮被动转动时，由一侧啮合进入另一侧啮合时，存在单侧敲击。此时，由于空套齿轮拖曳力矩较小，输入轴扭矩存在波动时，空套齿轮的拖曳力矩不能阻止轮齿的波动，在扭矩波动达到一定程度时，会发生齿轮双侧敲击现象。且敲击力的大小随着扭矩波动的增加而增大。因此，齿轮敲击噪声敲击型式主要分为三种：持续单侧敲击噪声、持续双侧敲击噪声、间歇性敲击噪声。式中：Xr 为主被动轮齿之间的相对位移，b 为齿侧间隙的一半。在变速器正向开发过程中，会在详细设计阶段，开始对变速器齿轮敲击性能进行仿真分析，通过对变速器各档位不同转速不同扭矩波动下变速器开始出现双侧齿轮敲击时的输入轴角加速度值进行计算统计，得到变速器输入轴角加速度阈值。根据传动结构简图，利用AMESIM 平台建立变速器单体扭转振动一维仿真模型，如图2-1 所示。变速器输入轴扭矩波动、半轴输出转速数据来源于扭振台架或实车测试所得。齿轮、轴、惯量、刚度等相关参数简表如表2-1 所示，根据详细的参数输入仿真模型。通过对模型中空套齿轮的转速波动相位和幅值比较，验证模型的结构、速比、效率的精确度。若仿真的转速波动与实测的转速波动幅值相差较大，则需要根据实测的效率进行轴系阻尼的调整来获得更一致的转速波动幅值。如图2-3 所示，可知本文所建模型计算结果与实际台架测试结果对比，转速波动和幅值均具有较好的一致性。仿真模型中需要输入的参数较多，本文不作详细描述，主要介绍变速器七档空套齿轮和轴参数，如表2-1 所示。经过调整轴系的损失和阻尼，使变速器效率与实测值接近一定水平，一般在5% 以内认为是可以接受的效率对比。基于此效率模型在对比空套齿轮转速，图2-2 所示7 档空套齿轮实测值和仿真值在转速波动趋势保持较好一致性，同时幅值对应也比较好，转速波动误差20 rpm 以内，因此认为该模型是准确的。本文选取档位五档时数据，选取七档空套齿轮观察齿轮敲击情况，如图2-3 所示，转速输入为1300 rpm 时，空套齿轮存在较多的双侧敲击现象，0.1S 内发生37 次敲击现象，其中9 次双侧敲击，28 次单侧敲击，双侧敲击占比24.3%。变速器空套齿轮敲击振动噪声大小由敲击力大小决定，因此本文用敲击力来评定敲击噪音的风险。评定敲击力大小的方式有两种：敲击力均值，主要是体现某一时间段内敲击力的整体大小情况；敲击力最大值，主要是体现某一时间段内敲击力的峰值。由于空套齿轮敲击过程可以等效为弹簧- 质量- 阻尼系统（K-M-C 系统），因此该系统方程的解分为两个部分：稳态项（又称“受迫振动项”），其振动频率与发动机激励频率相同；瞬态项（又称“自由振动项”），其振动频率由系统固有频率决定。基于此，对于稳态项用敲击力均值来评判敲击力，对于瞬态项用敲击力瞬态最大值评判敲击大小，本文输入的是稳态过程数据，因此用敲击力均值来评价齿轮敲击力。AMESIM 软件操作方面，通过接入力传感器，获得不同空套齿轮的敲击力，并计算敲击力均值曲线，用以评估齿轮敲击风险。如图2-4 所示，七档空套齿轮敲击力为9.2 N，三挡空套齿轮敲击力为2.6 N，一挡空套齿轮敲击力为1.3 N，因此认为五档驱动时七档空套齿轮发生被车内乘客感知到的齿轮敲击风险最大。从变速器设计角度考虑，对于变速器齿轮敲击噪声的影响因子较多，常见的有齿轮侧隙、空套齿轮惯量、轴承刚度、传动轴扭转刚度、齿轮啮合刚度、扭矩损失、接触阻尼、搅油损失等。本文通过调整侧隙参数不同变化量的值，获得如图3-1 所示转速波动情况和图3-2 齿轮敲击情况。如图3-1 所示，蓝色线为仿真基准值，红色线为基准乘以0.5，黄色为基准乘以2。可以看出，通过增大七档空套齿轮侧隙，7 档空套齿轮的转速波动情况变得劣化, 而减小7 档空套齿轮侧隙，转速波动变化并不大，可以说明侧隙在一定值以后对转速波动的影响有限。研究者都知道，发动机作为转速波动的输入对象，转速波动对变速器内部齿轮敲击的影响十分重要。因此本文还对不同转速波动下的齿轮敲击情况进行分析。如图3-2 所示，输入转速波动从±30 rpm 为±50 rpm 时，齿轮从规律的双侧一次敲击变成了较为规律的双侧连续敲击，敲击力和敲击功率也随转速波动的增加而发生质的变化。由此可见，转速波动对齿轮敲击的发生及敲齿噪声的传递能量有十分重大的影响。通过对变速器齿轮敲击有影响的参数进行灵敏度的评价，获得不同参数参数对空套齿轮的灵敏度评价规律图表，如图3-3 可知，阻尼系数对某空套齿轮敲击影响最大。在进行齿轮敲击优化时，可优先通过调整该齿轮的阻尼，来实现快速有效优化齿轮敲齿噪声的目的。本文通过对举例变速器系统齿轮敲击分析过程进行梳理，可得到如下结论：可通过实测方式作为变速器扭转振动仿真模型输入激励；通过对比变速器效率，能够获得较为准确的仿真模型；通过对不同的影响因素进行定比增减，获得七档空套齿轮敲击现象相应的变化，可获得不同影响因子的灵敏度特性；通过流程的梳理，可以获得一套较为可行的分析扭振齿轮敲击的分析方法，对变速器开发过程的齿轮敲击分析具有指导意义。不足之处：本文仅针对思路进行描述，未对仿真计算过程作过多记述；本文仅对某个空套齿轮结果进行展示，未对全部变速器齿轮进行描述。在实际的工作中，需要对每个空套齿轮进行效率的调试，以确保模型的准确性。作者单位：（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 510000）往期相关推荐
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首次发布时间：2023-04-15
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