隨著我國汽車行業(yè)的發(fā)展，公眾對車輛安全性、駕駛性以及駕駛艙舒適性提出較高要求，提高汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度(noise vibration harshness，NVH) 性能可以有效提升汽車產(chǎn)品的競爭力。變速箱是汽車動力總成的重要組成部分，變速箱噪聲是整車噪聲的重要來源之一，對整車 NVH 性能影響較大。傳動齒輪是變速箱的核心部件，其振動是變速箱振動噪聲的主要激勵源，對變速箱傳動齒輪的振動控制是改善整車 NVH 性能的關(guān)鍵。
目前國內(nèi)對變速箱及齒輪傳動系統(tǒng) NVH 性能的研究主要集中于優(yōu)化變速箱結(jié)構(gòu)，關(guān)于傳動齒輪齒廓形狀對 NVH 影響的研究較少。本文中基于某款轎車用自動變速箱，根據(jù)傳動齒輪的齒廓形狀差異，以齒廓存在 S 形曲線的齒輪(下文簡記為 S 形齒廓齒輪) 為研究對象，分析齒廓誤差對整車 NVH 性能的影響。
一、振動噪聲產(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)主動齒輪齒廓 A 和被動齒輪齒廓 B 相嚙合時，被動齒輪應(yīng)被主動輪勻速帶動，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，被動齒輪的實(shí)際齒廓會在 B' 處，主動齒輪齒廓 A 需多轉(zhuǎn) 1 個角度 δ，沿嚙合線繼續(xù)移動一個附加距離，這個附加距離即為 δTE。
圖 1 齒輪副傳遞誤差示意圖
理想情況下，如果齒輪傳遞動力時非常平穩(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) 時偏離了理論嚙合線，輪齒發(fā)生沖擊，引起傳動系統(tǒng)振動。在振動傳遞到變速箱外部結(jié)構(gòu)的過程中產(chǎn)生共振而引發(fā)噪聲。當(dāng)齒廓誤差增大時，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)生振動和噪聲，減小 δTE 可有效改善齒輪傳動噪聲。
二、試驗方法和數(shù)據(jù)分析
S 形齒廓：某齒輪齒廓測量曲線如圖 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 齒輪齒廓測量曲線
試驗方法：由于傳動齒輪的振動是變速箱噪聲的主要噪聲源和激勵源，試驗以變速箱中不同齒廓的傳動齒輪為基礎(chǔ)，分別搭載同一類型變速箱進(jìn)行下線臺架(end of line，EOL) 振動測試和整車 NVH 測試，分析不同齒廓對整車 NVH 性能的影響。
EOL 振動測試：變速箱分別裝配正常齒輪、S 形齒廓齒輪，進(jìn)行 EOL 振動測試。通過安裝在臺架測試設(shè)備上的振動傳感器采集變速箱豎直方向上的振動加速度，振動傳感器布置在變速箱殼體(表面) 頂部靠近傳動齒輪且剛性較好的位置，EOL 振動測試設(shè)備如圖 3 所示。EOL 振動測試原理為：發(fā)動機(jī)將動力輸 入到變速箱的輸入軸，通過軸上的齒輪嚙合將動力傳遞給輸出軸，這是發(fā)動機(jī)動力傳遞的路徑，同時也是變速箱振動的來源，因此，通過測量變速箱殼體振動評估變速箱內(nèi)部振動，利用采集得到的變速箱振動信號進(jìn)行 NVH 診斷。
圖 3 EOL 振動測試設(shè)備
整車 NVH 測試：整車 NVH 測試與評價通常采用主觀評價法，由于個人主觀感受的差異使得測試結(jié)果具有較大波動。為避免主觀評價結(jié)果的波動性，將正常齒輪、S 形齒廓齒輪裝配變速箱再裝載至整車，在整車發(fā)動機(jī)艙變速箱位置及車內(nèi)駕駛座人耳右側(cè)位置布置麥克風(fēng)，進(jìn)行聲壓級測試，采集整車噪聲。整車 NVH 測試設(shè)備安裝位置如圖 4 所示。
圖 4 整車 NVH 測試設(shè)備安裝位置
試驗數(shù)據(jù)分析
EOL 振動測試結(jié)果：本文中采用振動加速度級評價振動源和環(huán)境振動強(qiáng)度。振動加速度級
式中：as為實(shí)測加速度，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。
變速箱的振動加速度測試結(jié)果如圖 5 所示。由圖 5 可知：裝配 S 形齒廓齒輪的變速箱，其振動加速度級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加速度級在 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 振動加速度測試數(shù)據(jù)
整車 NVH 測試：整車聲壓級數(shù)據(jù)對比如表 1 所示。
由表 1 可知，裝配 S 形齒廓齒輪的整車發(fā)動機(jī)艙聲壓級為 82 dB，比裝配正常齒輪的發(fā)動機(jī)艙的聲壓級高 12 dB，增幅明顯。由于整車聲學(xué)包裹改善了車內(nèi)的噪聲，相比于發(fā)動機(jī)艙，駕駛艙的聲壓級大幅降低，裝配 S 形齒廓齒輪的整車駕駛艙聲壓級為 37 dB，比裝有正常齒輪的整車高 7 dB，NVH 性能表現(xiàn)也相對較差。
S 形齒廓齒輪的變速箱裝到整車后，變速箱 EOL 臺架振動加速度級明顯加大、振動能量變大，整車 NVH 測試表明，NVH 性能變差，給客戶帶來較差的 NVH 體驗。
三、優(yōu)化
消除齒輪的 S 形齒廓是改善變速箱及整車的 NVH 性能的有效途徑。可以通過多種措施優(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)過實(shí)際加工制造驗證，在滿足齒輪各項參數(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，最終確定通過嚴(yán)格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的 S 形波動，改善變速箱及整車的 NVH 性能，提高變速箱產(chǎn)品的市場競爭力。
四、結(jié)語
通過變速箱 EOL 振動測試和整車 NVH 測試，研究變速箱 S 形齒廓齒輪對整車 NVH 性能的影響。結(jié)果表明，S 形齒廓齒輪使得變速箱 EOL 臺架振動能量變大，在 48 階次的振動加速度級增加 31 dB，增幅最大;NHV 測試發(fā)動機(jī)艙及車內(nèi)駕駛艙的聲壓級分別增加 12、7 dB，變速箱及整車的 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。