汽 车 变 速 器 噪 声 分 析 与 控 制 2

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摘 要：噪声成为当今社会的公害之一，随着汽车保有量的日益增

多，汽车噪声越来越受到人们的重视。汽车噪声的大小因此也成为衡量汽车质量水平的一个重要指标，同时在人们对车辆乘坐舒适性更高要求的背景下，对汽车噪声方面的研究显得尤为迫切。而汽车的发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎等都会产生噪声，然而汽车发动机、轮胎、变速器是主要的噪声源，同时对发动机、轮胎的降噪技术目前已经比较成熟，在这些方面的研究也比较多[1]。随着发动机等降噪技术的不断提高，变速器降噪就成为一个重要课题，因此要降低汽车的噪声，对变速器进行噪声分析与控制研究显得至关重要。研究变速器噪声产生的原因，并针对变速器降噪提出相应的改进设计方案，从而达到降变速器噪声的目的，就具有很高的理论研究价值和非常重要的实际应用意义。

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

噪声是频率为20Hz~20000Hz的声波， 传入人耳所引起听觉， 噪声会干扰人的睡眠，造成人的神经紧张和心情烦恼；有时也会影响人的语言清晰度，干扰人的社会活动；强噪声还会影响人体健康，致使暂时性的听阈迁移，甚至造成耳聋；强噪声还可能造成精密仪器、仪表失灵等故障。环境污染来源之一是噪声，汽车是噪声的主要来源之一，汽车噪声的大小是衡量汽车质量水平的重要指标，因此，汽车噪声的防治必然是汽车工业的一个重要课题。汽车噪声对环境污染必将受到社会各界的关注和重视， 降低汽车噪声的呼声已经势在必行。 汽车是我国国民经济发展的支柱产业，随着汽车产业的发展，人们对汽车的要求也越来越高，所以汽车沿着舒适、节能、环保和安全的方向在发展着。而汽车的NVH是汽车性能的一个重要指标，它影响着乘坐舒适性和行驶安全性。

变速器在汽车传动系统中算是工况比较复杂的部件，由于汽车存在着高速、大功率方面的发展需求，同时由于在制造和装配过程中存在误差以及负荷等外部因素变化的影响，再者由于变速器齿轮的啮合，变速器在工作时将产生振动，同时向空气中辐射噪声，这在整车的振动与噪声中占有较大的比例，以及人们对汽车乘坐舒适性和安全性要求的不断提高，使得汽车变速器振动噪声问题更为突出，对变速器振动噪声的控制已刻不容缓，变速器的振动噪声已引起越来越多汽车生产企业的高度重视。研究发现提高变速器零件特别是齿轮的制造精度对降低噪声的十分有效。但变速器零件的高精度不仅造成生产困

难，且增加了生产成本，经济上不划算。因此，对变速器噪声的研究要向综合治理的领域发展，从控制设计参数和提高精度等许多方面下手，达到变速器在噪声、成本和强度等方面的综合平衡。

汽车的振动、噪声主要来源于动力传动统，变速器是汽车传动系统的主要构成部分，随着发动机 NVH 性能的高,变速器的噪声和振动对整车的振动和噪声性能贡献来越突出，资料显示:整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，降低汽车变速器的振动和噪声对于提高整车的 NVH性能极其重要，开展汽车变速器的振动、噪声的研究工作对于提高我国汽车产业的产品质量和在国际市场的竞争力有着十分重要的意义,据统计：而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上 。

1.2 变速器降噪的研究现状

1.2.1变速器降噪研究的国内外总体水准

近些年国内外开展了许多变速器降噪方面的研究[1-2]，国外，各大汽车生产厂家，都有自己的变速器 NVH 实验室，专门从事变速器的振动噪声研究，主要基于两方面的目的：一方面用于满足汽车噪声法规要求和汽车车内噪声振动性能的改善，另一方面用于变速器的试验开发，他们更加注重声品质的提高。 定义中的“声”并不是指单纯声波这样一个物理过程，而是指人耳的听觉感知过程；“品质”是指由人耳对于声音事件感知过程最终做出的主观判断。这一概念更强调人们对声特性判断的主观性。

国内，汽车行业起步晚，NVH理论和试验研究与发达国家差距

较大，我国在20世纪末才有一些汽车生产厂家和研究机构对汽车零部件进行相关的特性研究，随着国外理论研究的深入和我国汽车行业的飞速发展，越来越多的国内变速器和汽车生产厂家开始重视变速器NVH问题，目前，国内使用的变速器NVH试验分析系统基本上是引用国外的商用软件、硬件，功能专用，核心技术是封锁的。 1.2.2研究方法层面

国外对变速器的振动噪声的研究已经从最初的仅仅依靠实验改进，发展到当前运用各种先进技术进行噪声测试、预测，解决变速器的噪声问题已经形成了比较完善的实验和理论体系。

一方面以测试为主的实验研究。实验研究一般借助先进的测试手段，声强测试技术目前应用广泛，优点：它不仅能得到声场中某点声能量的大小，而且还能获得该声能量的流向，并且声强测量不要求消声室等造价昂贵的特殊声学环境，适合现场测试。用声强法测量表面辐射噪声时可将噪声源的位置直观的显示出来，对变速器噪声源的识别有重要的意义。但实验研究也有很大弊端：设备昂贵、实验周期长，难以满足发展要求。

另一方面是以计算机仿真计算为主的 CAE 分析。以 CAE 为基础的声场模拟分析计算方法。

目前，国外已经研究并成功运用了一系列成熟的技术和方法，如有限元法（FEM）、边界元法（BEM）等，这些方法已经得到普遍的运用，并取得了很好的效果。它可以弥补实验研究的一些不足。

目前国内，对变速器振动噪声的研究主要集中在变速器箱内齿轮

振动噪声的研究、变速器噪声源识别和噪声预测、变速器噪声的控制几个方面。

由于齿轮是变速器的主要噪声源，早期人们对齿轮系统的研究主要建立在线性振动分析理论的基础上，现在大多集中于以系统非线性振动理论为基础，以齿轮啮合过程的时变啮合刚度和齿侧间隙等非线性为核心，对齿轮系统非线性振动问题进行研究。

变速器噪声源的识别方法有很多，常用的有：传统识别方法、时域分析法、频域分析法、时频分析法、小波分析法、声强测量法、声全息法等；变速器噪声预测传统的方法是通过建立变速器数学模型，利用箱体振动或齿轮的啮合激励等来预测其辐射噪声，近年来，随着计算机的普及运用和有限元方法的产生，为变速器噪声理论分析提供了有效的手段，利用计算机预测变速器振动噪声是非常经济和省时的。

变速器振动噪声的复杂性，其优化控制方法有很多，目前研究的方向主要以分析变速器内的齿轮和箱体为主，从齿轮修形的角度和箱体的结构优化来达到减振降噪的目的。从齿轮方面着手对变速器噪声进行控制，这是一种直接控制噪声源的方法，已经得到广泛的运用；箱体的降噪设计是降低变速器噪声的另一有效途径。

第二章 变速器降噪控制

理论研究发现，变速器噪声的产生主要来源于变速器轴、变速器壳体、变速器齿轮。因此要实现变速器的降噪，对这三部分的研究显得相当重要。

2.1变速器轴的降噪

变速器工作时，变速器的轴要承受转矩和弯矩，如果刚度不足的

轴会产生弯曲变形，破坏了齿轮的正确啮合状态，对齿轮的强度、耐磨性和工作噪声等均有不利影响，所以在设计变速器的轴时，轴的刚度大小应以保证齿轮能达到正确的啮合状态为前提条件。

同时，轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角，对齿轮的工作影响很大，前者使齿轮中心距产生变化，破坏了齿轮副的正确啮合；后者使齿轮相互倾斜，造成沿齿长方向的压力分布不均匀，这样会极大加剧齿轮啮合的噪声。

在设计变速器轴时，主要考虑以下几个方面。轴的结构形状，轴的直径、长度、轴的强度和刚度。轴的结构主要是满足变速器结构布置的要求，并充分考虑加工工艺装配工艺等确定的。轴的结构形状应保证齿轮、同步器部件及轴承等安装、固定，并与工艺要求有密切关系。

2.2变速器壳体的降噪

变速器箱体是一个典型的弹性结构系统，箱体在轴承的动载荷作用下产生振动，辐射噪声，因此合理设计箱体的结构和振动特性，将有助于降低齿轮系统的噪声[3]。

目前这一块的研究方法主要有，结构动力修改的理论和方法：改变结构系统的固有频率，让其远离动态激励频率，避免产生共振；结构系统动态优化设计的原理和方法：设计时以壳体薄壁的振动最小为目标，约束条件为频率约束、应力约束、几何约束等，在动态激励作用下使壳体壁振动最小，达到降低壳体辐射噪声的目的。

同时壳体的材料、形状、刚度、自振频率和表面辐射面积，壳体表面开设窗口的位置、大小和总体布局等均是噪声产生共振、声压合成和噪声辐射影响的因素。

目前壳体的降噪设计技术主要有：

① 对壳体的各窗口如倒档孔和顶部换档部位孔等相对位置预以合理布置， 并且以铸铁盖代替冲压钢盖，或采用带有约束阻尼层的盖板。

② 壳体的形状应能使其刚度大、声辐射面积小，避免大平面过渡，表面设计应成法向方向各异的小面相连接，以降低壳体振动和减少辐射能量。

③ 由于轻量化的设计要求，壳体材料多数由铸铁改为铝合金。铝合金吸振阻压性能较差，现正在研究在铝合金中加入适当添加剂来改善性能。

④ 在壳体内表面上敷以吸声材料。

2.3变速器齿轮的降噪

齿轮传动广泛应用于变速器总成中，齿轮传动的特点是轮齿相互交替啮合，在节点之外的啮合处既有滚动又有滑动，不可避免地要产

生齿与齿之间的撞击与摩擦。另外，齿轮的制造误差、安装误差都会破坏正常的啮合关系，使齿轮产生噪声[4] 。对齿轮的设计主要体现在

参数的合理选取，如重合度、压力角等主要参数的优化参见文献[5-6]。

(1)齿轮副侧隙的控制[7]。

侧隙是影响齿轮副产生噪声的重要因素。在较低载荷时,由于发动机扭矩波动的影响,啮合的齿轮副之间会出现“拍击”现象,从而产生敲击声;在较高载荷时,虽然避免了“拍击”现象的发生,但是啮合面之间的啮合冲击急剧上升,容易产生啸叫。反之,侧隙设计得太小也是不允许的。如果侧隙设计得过小,由于齿轮在加工和装配过程中难免存在误差,且在工作时又会产生热变形,这些因素的综合作用很可能“吃掉”过小的侧隙,使齿轮副之间出现干涉,而这种干涉造成的齿面间的相互挤压也会使噪声急剧增大。

(2)齿轮设计参数的优化。

增大重合度可以减小齿轮传动的噪声。首先,增大重合度可以减小单对轮齿的负载,从而可以减小啮入和啮出的负载冲击,降低齿轮噪声;其次,随着接触齿对的增加,单对轮齿的传递误差被均化,从而减小轮齿的动态激励。

(3)齿轮轮齿的微观修形。

虽然通过前两节的控制齿轮副的侧隙和改变齿轮参数来增大重合度可以在一定程度上减小啮合冲击,降低噪声。但是由于制造误差、装配误差以及齿轮、轴系和箱体等受载后变形的影响,与理论齿形很接近的轮齿在高速大功率传动时反而不能满足要求。采用齿顶和齿根

修缘、齿向修形后,有效改善轮齿的啮合性能,降低齿轮噪声。

齿轮传动系统产生冲击、振动和噪声的原始激发力主要是轮齿的啮入啮出冲击，而在啮合冲击中以啮入冲击最为重要。通过优化齿轮的变位系数，降低齿轮传动的啮入冲击，达到降低齿轮传动的噪声的目的。

全 文 总 结

本文一方面详细阐述了，对变速器进行降噪研究的作用和意义；同时研究了国内外对变速器降噪研的研究现状以及一些理论与方法；同时分析了变速器噪声产生的机理，提出了针对性的降噪技术。具有一定的理论参考价值。

参 考 文 献

【1】李润方，王建军.齿轮系统动力学［M］.北京: 科学出版社，1997：352-400. 【2】王伯良. 噪声控制理论［M］. 武汉: 华中理工大学出版，1990．

【3Jiri Tuma. Gearbox Noise and Vibration Prediction and Control[J].International Journal of Acoustics and Vibration.2009(2) .

【4】Edward M.Huff.Irem Y.Tumer. An Experimental Comparison of Transmission Vibration R from OH-58 and AH-1 Helicopters [J]. Presented at the American Helicopter Society 57th Annual Forum.2001.

【5】黄森，郑直，凌启辉.汽车变速器噪声控制［J］. 汽车工程师,2013(4):41-43. 【6】 张仕海.简述汽车变速器总成的噪声源及降噪措施［J］.科学之友,2008,8(23):79-80. 【7】宋克辉.白会涛. 降低轻型汽车机械变速器噪声的设计措施[J].科技创新导报.2011:5.