王炳善

（格特拉克（江西）傳動系統(tǒng)有限公司，南昌330013）

0 引 言

隨著人們對家用轎車舒適度的追求，振動噪聲（NVH）成為傳動系統(tǒng)開發(fā)過程中的重要問題，客戶要求提升NVH性能以保持在市場上的競爭力處于長久不敗之地，因此需要通過NVH分析與測試找到噪聲源并將其降到客戶可接受的水平。齒輪副在傳動系統(tǒng)中作為嘯叫的主要來源，其傳遞機(jī)理為由齒輪綜合嚙合偏差產(chǎn)生傳遞誤差PPTE，通過連接件間的剛度與運(yùn)動件間的阻尼生成內(nèi)部激勵作用于軸承，得到的軸承力傳遞到殼體，致使殼體座孔振動，隨之結(jié)構(gòu)振動，該振動生成聲音輻射平面，最后產(chǎn)生噪聲[1]。因此，降低激勵源、優(yōu)化傳動系統(tǒng)剛度、降低響應(yīng)峰值、將共振點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工作轉(zhuǎn)速外[2-3]等成為優(yōu)化解決變速器齒輪傳動系統(tǒng)嘯叫的主要方法。

本文以某汽車手動變速器三擋齒輪為例，通過傳動系統(tǒng)模態(tài)分析得出坎貝爾圖，得到變速器掛三擋時，輸入軸轉(zhuǎn)速在某個頻率或轉(zhuǎn)速下，通過系統(tǒng)模態(tài)分析計(jì)算出該擋位時的坎貝爾圖，得出傳動系統(tǒng)存在的潛在共振點(diǎn)。然后模擬傳感器實(shí)際在變速器殼體上的檢測點(diǎn)設(shè)置凝聚節(jié)點(diǎn)，通過動態(tài)激勵響應(yīng)分析得到瀑布圖、階次切片圖，分析出變速器殼體上的振動位移峰值，并通過優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)提高齒輪嚙合重合度后將振動位移峰值降低，在NVH降噪運(yùn)用中得到了良好的效果。該方法針對難以解決的NVH嘯叫問題指明了優(yōu)化方向，同時可以避免未用激勵響應(yīng)分析時，因企業(yè)急于量產(chǎn)，驗(yàn)證多種不同方案所消耗的時間與成本，又可以為汽車變速器行業(yè)核心技術(shù)的積累打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而為民族汽車工業(yè)的振興做出貢獻(xiàn)。

1 傳動系數(shù)模型建立

在軟件中建立高精度汽車變速器齒輪傳動系統(tǒng)模型（如圖1），該模型考慮了殼體有限元剛度矩陣、齒輪微觀修形參數(shù)、差速器總成模型、軸承游隙及其內(nèi)外圈、滾子的修形等因素。通過采用齒輪的高級接觸分析LTCA創(chuàng)建齒輪齒部的全3D有限元網(wǎng)格，考慮了齒輪柔性對齒輪副間的接觸斑點(diǎn)、PPTE、嚙合錯位量，以及動態(tài)嚙合力等動態(tài)嚙合特性參數(shù)對NVH分析的影響。

2 三擋齒輪嚙合頻率分析

當(dāng)我們在進(jìn)行系統(tǒng)模態(tài)分析之前，需要先知道變速器應(yīng)用轉(zhuǎn)速范圍所能覆蓋的最高頻率，因前三階諧波表現(xiàn)的振動最為明顯，所以著重分析前三階諧波所能達(dá)到的頻率范圍。以輸入軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，三擋主動齒輪為29齒，計(jì)算前三階諧波的頻率：一階諧波為29×4000/60/1000=1.9333 kHz；二階諧波為1.9333×2=3.8666 kHz；三階諧波為1.9333×3=5.8 kHz。從計(jì)算結(jié)果可以得知，前三階諧波，嚙合頻率可以達(dá)到5.8 kHz。

3 三擋齒輪嚙合模態(tài)計(jì)算

當(dāng)三擋齒輪副嚙合頻率達(dá)到5.8 kHz時，傳動系統(tǒng)模態(tài)通過計(jì)算可以達(dá)到116階，計(jì)算的耦合模態(tài)自然頻率圖如圖2所示。當(dāng)計(jì)算結(jié)果達(dá)到了120階模態(tài)時，其對應(yīng)的頻率為5.9937 kHz，滿足了使用頻率范圍要求，故可用于計(jì)算分析變速器齒輪傳動系統(tǒng)前116階模態(tài)，為在變速器殼體上對應(yīng)實(shí)測傳感器的檢測位置設(shè)置計(jì)算分析用的凝聚節(jié)點(diǎn)，為計(jì)算凝聚節(jié)點(diǎn)處振動響應(yīng)位移做出準(zhǔn)備。

4 三擋齒輪嚙合模態(tài)分析及坎貝爾圖計(jì)算與分析

通過模態(tài)分析可得到軸系與殼體的模態(tài)振型與模態(tài)動畫，同時可以得到坎貝爾圖（如圖3），該圖則分析出了傳動系統(tǒng)的潛在共振點(diǎn)。其縱坐標(biāo)為頻率，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，從坐標(biāo)原點(diǎn)射出3條線，分別為一階諧波線、二階諧波線與三階諧波線。從每一條射線上某個點(diǎn)向橫、縱坐標(biāo)引垂線，該點(diǎn)即為潛在共振點(diǎn)，便可以得出潛在共振點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速與頻率。坎貝爾圖分析出的潛在共振點(diǎn)為未考慮有功率輸入時系統(tǒng)的潛在共振點(diǎn)，它是變速器傳動系統(tǒng)本身的特性，殼體剛度與軸系布置決定了該特性。

5 整車NVH共振分析與測試結(jié)果

NVH測試結(jié)果顯示驅(qū)動與反拖工況時，轉(zhuǎn)速范圍分別在1000～1600 r/min與1900～2600 r/min時，在約0.55 kHz與1.10 kHz時傳動系統(tǒng)有潛在共振點(diǎn)，實(shí)測頻率數(shù)據(jù)如表1所示。

該共振點(diǎn)實(shí)測結(jié)果與坎貝爾圖分析結(jié)果相符，即圖3頻率為0.55 kHz時，對應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速約為1100 r/min；頻率為1.1 kHz時，對應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速約為2300 r/min。

表1 實(shí)測頻率數(shù)據(jù)表

當(dāng)變速器掛三擋時，主減常嚙合齒輪坎貝爾圖（如圖4）的計(jì)算結(jié)果與NVH實(shí)際測試報(bào)告如圖5、圖6所示，坎貝爾圖計(jì)算結(jié)果與實(shí)測報(bào)告相符。兩圖中顯示輸入軸轉(zhuǎn)速約在3600 r/min時，頻率約為0.8 kHz時有共振；輸入軸轉(zhuǎn)速約在2450 r/min時，頻率約為0.556 kHz時有共振。

6 三擋齒輪動態(tài)激勵響應(yīng)分析

動態(tài)激勵響應(yīng)分析是在變速器殼體對應(yīng)傳感器的位置設(shè)置分析凝聚節(jié)點(diǎn)，考慮齒輪計(jì)算的動態(tài)嚙合力，以高級接觸分析下的齒輪傳遞誤差PPTE為激勵源，計(jì)算凝聚節(jié)點(diǎn)的振動位移。如果是高轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的新能源減速器，只考慮PPTE還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時需要考慮電動機(jī)定子與轉(zhuǎn)子所形成的轉(zhuǎn)矩波動與徑向載荷波動，同時分析三股激勵源對NVH的影響。

在以PPTE為激勵源的動態(tài)激勵響應(yīng)三維動畫分析中，可找到具體某一階模態(tài)下的某個振動最為明顯的位置，如圖7所示，在此位置設(shè)置凝聚節(jié)點(diǎn)，命名為點(diǎn)9，計(jì)算點(diǎn)9的瀑布圖與階次切片圖（如圖8），從計(jì)算結(jié)果中可以看出此位置響應(yīng)位移最大,高達(dá)5 μm以上。

增大重合度對齒輪副進(jìn)行低噪聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 對降低變速器由于齒輪產(chǎn)生的嘯叫聲有較好的作用[4]。通過計(jì)算階次切片圖，凝聚節(jié)點(diǎn)處的最高響應(yīng)峰值降低明顯，約為0.5 μm,如圖9所示。

通過對三擋齒輪宏觀參數(shù)的重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足齒輪彎曲強(qiáng)度與接觸強(qiáng)度及軸承壽命的前提下，提高該對齒輪重合度設(shè)計(jì)，制造新的樣件更換到變速器并安裝到整車上，進(jìn)行主觀測評與客觀評價(jià)，結(jié)果顯示：相對于原設(shè)計(jì)齒輪，優(yōu)化設(shè)計(jì)的齒輪主觀測評打分提高了1.0～1.5分，客觀測試結(jié)果為車內(nèi)噪聲值下降了5～8 dB, 滿足了主機(jī)廠客戶對變速器傳動系統(tǒng)NVH的性能要求。進(jìn)一步驗(yàn)證了MASTA軟件的分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果在趨勢上是相符的。

7 結(jié)論

基于MASTA軟件齒輪傳動系統(tǒng)嘯叫的理論分析，可以得到如下結(jié)論：1)優(yōu)化齒輪重合度設(shè)計(jì)，分析殼體上振動位置明顯處的響應(yīng)峰值，優(yōu)化結(jié)果顯著；2)以軟件分析結(jié)果作為殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)分析方向，抑制殼體上測試節(jié)點(diǎn)處的響應(yīng)峰值，以減少因制作樣件時新開發(fā)模具成本并縮短在項(xiàng)目中的開發(fā)周期，避免不必要的工作量；3)進(jìn)行齒輪微觀修形優(yōu)化并分析殼體上振動響應(yīng)峰值，以得到更優(yōu)的微觀修形參數(shù)；4)優(yōu)化傳動系統(tǒng)剛度，如調(diào)整軸承游隙、增大齒輪嚙合剛度等方法分析殼體上振動響應(yīng)峰值,得到更優(yōu)的軸承設(shè)計(jì)游隙；5)分析傳動系統(tǒng)共振點(diǎn)，設(shè)計(jì)初期考慮將共振點(diǎn)移出使用轉(zhuǎn)速區(qū)域，以避免后期開發(fā)過程中共振問題。