陈兵 岳贵平 张春宝

摘  要：针对匹配DCT变速器的某车型滑行时产生啸叫的问题，本文利用试验手段和齿轮噪声的测试数据对其产生原因进行了分析。在变速器生产过程中，通过优化齿轮齿顶修缘量和粗糙度，在不改变齿轮设计参数的前提下，有效地降低了变速器齿轮噪声，解决了DCT变速器滑行工况的齿轮啸叫问题。

关键词：DCT变速器；齿轮啸叫；齿顶修缘量；粗糙度

中图分类号：U463.2       文献标志码：A      文章编号：1005-2550（2023）06-0032-05

Analysis and Control of Coasting Whine of a Certain Vehicle Matched With DCT Transmission

CHEN Bing1，2， YUE Gui-ping1，2， ZHANG Chun-bao1，2

（ 1. China FAW Corporation Limited R & D Center， Changchun 130013， China；

2. National Key Laboratory of High-end Automotive Integration and Control，

Changchun 130011， China）

Abstract： A gear whine issue occurred in a vehicle model matched with a DCT transmission when coasting. This paper used experimental method and the acquired test data to investigate the mechanism of the gear noise generation. Under the condition of no gear design parameter change allowed， by optimizing the gear tooth tip trimming amount and roughness， and controlling the transmission production process， the gear noise of the transmission is effectively reduced， and the gear whine issue is successfully resolved.

Key Words： DCT Transmission; Gear Whine; Tooth Tip Trimming Amount; Waviness

1    前言

隨着生活水平的提高，人们在对汽车的要求不仅仅局限于油耗和驾驶性等，对舒适性的要求也在不断提高。汽车舒适性中的重要影响因素之一就是整车NVH（Noise，Vibration，Harshness），是指汽车驾驶过程中的噪声、振动以及声振粗糙度或不舒适性[1-2]。变速器作为汽车的主要零部件，对整车NVH性能有着重要的影响。由于变速器内部零件的主要工作形式为齿轮啮合，所以齿轮啮合噪声是变速器的主要噪声之一。DCT变速器比CVT变速器有更好的动力性，与AT变速器比有更好的经济性，所以在市场上有很大的占有率。变速器引起的车内噪声问题中，由变速器齿轮啮合引起的啸叫噪声占比很高，因此解决DCT变速器引起的车内噪声问题就显得尤为重要。

对于变速器齿轮啮合噪声，国内外学者对齿轮敲击噪声进行了大量研究。2015年，Ales Prokop创建了变速箱简化模型，包括齿轮啮合刚度、侧隙、轴承刚度和主要部件的模态特性等基本机制，并进行了实验验证，该模型与实验结果匹配良好[3]。2018年，A Palermo通过低成本数字编码器简化了齿轮传动误差测量，将齿轮传动误差当作变速箱的NVH 指标，并将其用于齿轮微观几何设计[4]。2021年，童启明和雷江泉对变速器传递路径的机制进行了分析，并制定了变速器壳体增加加强筋和优化变速器齿形参数的方案。经过仿真分析、 主观驾评、 客观测试均证明车内阶次噪声改善明显，该方法能够有效解决变速箱啸叫问题[5]。2018年，为解决某前置前驱乘用车加速中出现的变速器齿轮敲击噪声问题，吴田田、王江涛等人建立了整车动力传动系统扭转振动仿真模型，并对影响传动系统共振频率和响应幅值的关键参数进行敏感性分析[6]。2020年，朱春华以齿轮系统内部激励响应为研究重点，对齿轮系统在啮合时所受到的综合动态力进行了理论分析及数值计算[7]包括误差激励、轮齿刚度激励和啮合冲击激励等。2020年，焦娇、姜耀全等人利用阶次分析方法，针对某手动变速器在整车上出现档位齿轮啸叫现象，通过台架实验对比产品升级前后变速器本体NVH差异，并利用传递路径分析方法，通过更改悬置配重的方法，从传递路径上解决了齿轮啸叫问题[8]。2020年，石怀瑞、张飞兵和杨波，针对某双离合变速器存在啸叫噪声问题，通过整车和台架NVH试验和阶次跟踪分析方法，运用仿真手段进行齿轮微观修形，降低齿轮传递误差，通过测试表明该方法可以显著改善变速器啸叫噪声问题[9]。

本文以匹配DCT变速器的某车型为例，通过控制齿轮加工精度，降低误差激励，最终解决了某车型滑行啸叫噪声问题。

2    问题描述

在研发某车型的过程中发现，该车在4挡滑行工况，发动机转速在1900r/min-1500r/min范围内存在明显的啸叫噪声，影响驾驶感受，主观评价不可接受。对车辆滑行车内噪声进行测试分析，分析结果显示，车内噪声存在明显的发动机30.7阶次噪声成分，频谱见图1（a），阶次噪声曲线见1（b）。

3    啸叫噪声问题分析

齿轮噪声大致分两类：一类是由非承载齿轮产生的敲击（Gear Rattle）。由于齿轮的侧隙和输入扭矩、转速的波动导致的。通常发生在车辆低转速范围。另一类是由承载齿轮产生的啸叫（Gear Whine）。由于齿轮的传递误差导致，有特定的音调，与齿轮的制造、装配以及整个传动系统的刚度，齿轮的宏观参数和齿面修形等因素相关。齿轮啸叫噪音与传动比及啮合频率相关，即有固定的阶次。根据以往的分析，滑行工况啸叫噪声很可能来自变速器的承载齿轮的啮合噪声。

为了确定该车型的啸叫噪声来源哪个零部件，又对不同挡位的滑行车内噪声进行了测试及主观评价，发现其他挡位无明显的啸叫，确认了车内啸叫噪声与挡位有关，主要噪声成分为发动机转速30.7阶次。车内噪声频谱见图1，车内阶次噪声曲线见图2。

此变速器的4挡驱动齿轮齿数为37，被动齿轮齿数为35，常啮合驱动齿轮齿数为29，所以4挡常啮合齿轮阶次为37/35×29=30.7。通过对变速器的功率流进行了分析发现：变速器4挡时，常啮合齿轮副的啮合阶次为发动机转速的30.7阶次。同时对噪声数据进行滤波分析和噪声信号回放，发现滤掉30.7阶次成分时，车内啸叫噪声消失，进一步确认了滑行时的啸叫噪声是由变速器的常啮合齿轮副啮合产生的。

4    解决方案和效果验证

来源于齿轮副的激励是产生变速器啸叫的主要原因，一般来说齿轮副的激励分成内部激励和外部激励两部分[10]。外部激励和内部激励相比，所占比重很小，所以解决齿轮啸叫问题主要从内部激励入手。

参考振动冲击理论[11-13]，一般来讲，使用一个单自由度振动系统作为齿轮传动的扭振模型，如图2所示，建立齿轮传动的动力学方程式如式（1）所示，可以清楚的研究齿轮啮合力和齿轮内部激励都由哪几部分构成。

（1）

其中：

M代表齒轮对在啮合线上的等效质量；

J1、J2分别代表主被动齿轮的转动惯量；

rb1、rb2分别代表主被动齿轮的基圆半径；

T1、T2分别代表主被动齿轮转矩；

θ1、θ2分别代表主被动齿轮转角；

Kt代表齿轮时变啮合刚度；

c代表阻尼系数；

et代表齿轮综合误差，是时间t的函数；

x代表相对位移；

F0代表静态传递载荷；

此外

将随时间变化的位移和刚度分为不变部分和变化部分，即：

则式（1）经过变换，略去高阶项得到：

（2）

式（2）右侧即为单自由度齿轮传动模型的内部激励的组成部分，其中右侧第一项为误差激励；第二项为刚度激励；第三项是为啮合冲击激励。右侧这三项就包括了所有的齿轮传动的内部激励。

齿轮设计完成后，设计参数已经通过仿真计算和试验验证，确定了对于啸叫噪声最优的设计参数。但在生产加工过程中，在相同的齿轮设计参数条件下，还会有很多齿轮检测参数影响误差激励，最终影响啸叫噪声。

本文在不改变齿轮设计参数的前提下，通过对10台变速器EOL检测数据和齿轮检测参数的相关性分析，在15个主要齿轮检测参数中，识别出影响啸叫噪声的关键参数，15个主要齿轮检测参数见表1：

通过表2可发现齿顶修缘量和齿向粗糙度与EOL检测结果相关性较高，所以需要通过控制齿顶修缘量和粗糙度来降低EOL检测振动值，从而对整车啸叫进行控制。

对产生啸叫噪声的常啮合齿轮中的主动轮进行加工精度控制，控制齿顶修缘量[14] [15]和粗糙度[16]。齿顶修缘量与EOL检测结果相关性分析结果见图3，粗糙度与EOL检测结果相关性分析结果见图4。

通过图3和图4可知，为了达到降低EOL检测结果，进而降低变速器常啮合齿轮啸叫噪声，需要控制齿顶修缘量和粗糙度。通过选取对常啮合齿轮主动齿轮齿顶修缘量最大偏差控制在Amm以下，同时常啮合齿轮主动齿轮粗糙度控制在Bμm以下的齿轮进行装机，进行EOL检测，EOL结果基本控制在0.9m/s2以下。

匹配安装控制常啮合齿轮主动齿轮齿顶修缘量和粗糙度的变速器的车辆进行车内噪声测试，频谱见图5，阶次噪声曲线见6，优化前后阶次噪声对比结果见7。

分析结果显示，控制齿轮修缘量和粗糙度后的变速器车内噪声30.7阶次成分明显下降，1900r/min -1500r/min范围内幅值下降了8dB（A），主观评价结果为可接受。通过大样本量的测试结果统计，对于安装优化后变速器车辆的啸叫噪声：不可接受的比例从5%降低到0%。

5    结论

本文通过对噪声数据进行滤波分析和信号回放，确定了某车型的滑行啸叫噪声来源于变速器。通过对齿轮参数与变速器EOL结果的相关性分析，确定了控制齿廓齿顶修缘量和粗糙度来解决齿轮啸叫的技术路线，最终解决了由变速器齿轮啮合噪声引起的滑行时车内啸叫噪声问题。本文对如何控制齿轮加工精度，确定齿轮影响啸叫的关键参数，解决由变速器齿轮啮合引起的车内啸叫噪声提供了解决思路和方法。

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专家推荐语

严   辉

国家汽车质量检验检测中心（襄阳）

噪声振动试验室主任  研究员级高级工程师

该文针对某DCT车型的齿轮啸叫声问题，阐明了齿轮噪声的产生机理，找出了影響齿轮啸叫声的主要参数。通过优化齿轮齿顶修缘量和波纹度，从振动源上解决了齿轮啸叫声。为齿轮噪声分析与控制提供了良好的应用案例和指导。