变速器敲击性能量化评价指标建立 附变速器敲击噪声心理声学评价研究.docx

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1、针对单个齿轮副和变速器总成两方面的敲击特性，笔者利用专用的敲击试验装置测试多工况敲击相关数据。首先,对振动噪声数据进行有效能量叠加处理和对齿轮副在啮合线方向上速度差标准差的计算，得到单个齿轮副和变速器总成的敲击特征曲线；其次，提取相应的特征参数分别建立单个齿轮副和变速器总成的敲击特性量化评价指标向量；最后，用量化评价指标对某5档变速器的敲击问题进行了量化分析及问题点确定，并对优化前后的变速器进行了敲击性能量化对比。结果表明：量化指示与主观评价结果有较好的一致性，证明量化评价指标对变速器敲击问题优化和评价具有一定的指导意义。引言变速器齿轮副敲击振动可通过轴系传递到变速器壳体，引起壳体振动特征的变

2、化，同时会产生壳体辐射噪声特征的变化，两种特征变化均可用来判断敲击的发生1-3。为了从源头优化变速器敲击问题，对敲击的研究工作主要基于两个方面开展。一方面通过优化动力传动系匹配设计，如离合器减振参数优化、应用双质量飞轮等，来降低变速器输入扭振的水平，以达到减小敲击的目的U,3-5；另一方面，通过优化变速器自身相关参数以降低其敲击水平也是重点关注的方向。BranCati等研究了润滑油膜对敲击的影响，给出了有效的油膜阻尼数学模型。丁康等基于刚柔耦合模型对敲击各影响因素进行分析得出，合理的设计齿轮系统参数可以把敲击控制在理想范围。Bozca等利用经验模型来优化变速器齿轮模数、齿数、侧隙、轴向间隙等几

3、何参数使变速器敲击降低了14%。文献9-12还对齿轮偏心对敲击的影响进行了研究。在国内，以上两方面工作很少得到整车厂和变速器供应商重视。虽然一些高等学校对此进行了一些理论方面的探索，然而鲜有合理的试验支持。对于传动系统低扭振匹配设计需要合理的目标输入作为参考，对于变速器自身的敲击性能优化，不但需要合理的方法来明确优化方向，还需要合理的评价手段来评判优化结果。基于变速器总成敲击试验，并通过计算转速差标准差和振动能量叠加的数据处理方式，笔者分别对齿轮副敲击特性和变速器总成敲击特性进行了研究并提出了相应的量化评价指标。1敲击试验台架搭建和数据测试图1所示试验装置主要用于变速器敲击振动噪声测试,主要由

4、驱动电机、输出测功机、伸缩轴3个功能件组成。位于半消声室内的驱动电机为高动态永磁电机，具备特殊的扭矩转速特性，能够模拟内燃机的燃气压力与活塞往复惯性力，可实现发动机的输出扭矩特性。永磁电机设计主要针对实现低惯量和满足最小安装尺寸两个方面，变速器输入轴可以直接与之联接。两个输出测功机固定在消声室外墙两侧的基座上，通过穿墙轴组件与消声室内可伸缩轴联接，可以运用设置整车模型参数来进行行驶工况模拟。变速器输出端与可伸缩轴之间直接通过半轴联接。在半消声室内，除被测变速器之外，包括驱动电机在内的其他装备都做了专用的声学包裹处理。驱动电机和输出测功机的基本参数分别见表Io发动机输出扭矩特性可表示为其转速和油

5、门开度的相关函数。对于每一组固定的转速和油门开度值，均可通过发动机台架试验获得稳态的扭矩时域数据。通过傅里叶变换，时域数据可表示为平均扭矩与若干谐次动态分量之和(p=0.5,1.0,1.5,.)(1)其中：Tm为扭矩T的平均分量；TP为扭矩T的各谐次动态分量；n为输入轴平均转速；为各谐次相位。通过输入以上相关参数，驱动电机可模拟相应工况的发动机输出扭矩。经过对多工况测试数据的插值处理可获得所关心工况范围的发动机输出扭矩特性。试验采用DSFlol0.00SHV转速传感器采集变速器内5个档位齿轮副转速。由于被测变速器倒档采用非同步器结构，倒档惰轮在各前进档工况不参与啮合运转，因此倒档惰轮不作为本次

6、测试的对象。采用PCB-356A23振动加速度传感器采集输入轴轴承盖中心位置振动加速度。采用PCB-HT378B02麦克风采集加速度传感器附近距箱体10cm位置处声压Fig.2Layoutoftestsensor试验针对不同档位设置了相同的系列测试工况。测试工况涉及输入平均转速n、输入平均扭矩Tm和动态扭矩波动TP三种变量的组合。设定的测试工况均属于变速器在整车上易发生敲击的工况范围。试验模拟四缸内燃机动态扭矩波动作为变速器的输入扭矩激励源。四缸机动态扭矩波动主要表现为二阶主谐次及其整数倍谐次，其中二阶主谐次占据主导地位，其激励频率为输入轴转频的二倍。为了简化研究，此次试验仅模拟四缸内燃机二阶

7、动态扭矩波动(如图3),其频率为输入轴转频二倍、幅值在25S内，由0N.m线性扫描到110Nm.2敲击性能评价指标提取以表3中的两种工况为例，详细阐述试验数据的分析及两类变速器敲击性能评价指标提取过程的方法。2.1 齿轮副敲击性能量化评价指标提取根据渐开线齿轮啮合原理，可得齿轮副在啮合线方向上的传动关系式(2)其中：Av为齿轮副在啮合线方向上的线速度差值；OMK分别为主从齿轮的角速度;rZ,rK分别为主从齿轮的基圆半径。齿轮副未发生敲击时，主从动齿轮啮合不发生分离，除传递误差的微小影响外，主从动齿轮在啮合线方向的线速度保持一致，即Av近似等于零；齿轮副发生敲击时，主从动齿轮之间产生连续的分离-

8、结合动作，其在啮合线方向的线速度关系会发生明显改变。图4(a)为工况1中五档齿轮副转速数据处理结果，其上方为二档齿轮副Av曲线，横坐标为时间t。曲线特征表明，在14S时间点之后转速差幅值呈近似线性增加趋势，可断定此点为近似的齿轮副敲击起始点。为了直观地表现其变化趋势，现将转速差曲线沿横坐标均分为n个数据段Avl,Av2,，vn,每个数据段有m个数据点，对每段数据计算标准差(3)图4工况1五挡齿轮副和工况2二档齿轮副Av与V曲线Fig.4GearpairvandVcurveatthe5thgearpairofthecondition1andthe2ndgearpairofthecondition

9、2其中:为vn的平均值。由式(3)计算可得图4(a)下方的。V曲线，即转速差标准差曲线，其可反应齿轮副敲击的剧烈程度，称之为齿轮副敲击烈度。同样可提取V曲线的特征参数：C点作为。V曲线的突变点，其时间坐标tC与Av曲线中识别到的齿轮副敲击起始点时间坐标相当，因此C点可近似的作为齿轮副敲击起始时间点。同时,基于敲击点C的齿轮副转速数据计算得到主动齿轮的角加速度波动幅值。,其是在保证齿轮副不产生敲击的条件下主动齿轮允许输入的最大角速度波动幅值。V在敲击点后对时间t的敏感程度SG可反应敲击烈度随时间t的变化趋势。同样可以定义特征向量IGIG=tC,SG(4)据上述分析，特征向量IG包含的信息可以较准

10、确的量化还原V曲线。图4(b)为工况2中二档齿轮副的处理结果，其数据特征与工况1相同。其余齿轮副的数据处理结果均表现出相同的数据特征。可通过试验获得IG的矩阵，其可作为齿轮副敲击性能量化评价指标，以用来确定变速器内部各个齿轮副敲击发生的先后顺序以及强烈程度，可为变速器自身的敲击性能优化提供参考。2.2 变速器总成敲击性能量化评价指标提取图5(a)为工况1变速器壳体振动加速度的数据处理结果，其横坐标为变速器输入扭矩激励幅值TP,上半部分为测点的壳体振动加速度色图。当TP值在42Nm以下时,色图中各频率壳体振动加速度幅值在TP增大的方向基本保持一致，当TP值超过42Nm以后，壳体振动加速度幅值开始

11、逐渐增大且逐步向更宽频率范围扩展，其特点与敲击引起的宽频振动特征相同，根据文献1-3中敲击发生的判断方法，可以确定42Nm输入扭矩激励幅值点为近似的敲击起始位置。色图仅能给出粗略的变速器敲击随TP的变化特征，为了能更直观的表现变速器敲击随TP的变化趋势，现将壳体振动加速度色图中每一输入扭矩激励幅值点的振动加速度幅值沿频率坐标方向以能量的表达方式进行叠加处理E(Tp)=a2(Tp,f)df(5)图5工况1和工况2变速器壳体振动色图与能量曲线Fig.5Transmissioncasevibrationcolormapandenergycurveatthecondition1and2其中:a为输入扭

12、矩激励幅值TP时壳体测点在频率f时的振动加速度；df为频率分辨率；fl,f2分别为所关心敲击振动频率范围的下限和上限值；E(TP)为输入扭矩激励幅值TP时壳体测点的振动加速度平方和，称之为敲击能量。通过式(5)计算可以得到图5(a)中的振动能量趋势曲线。能量趋势曲线随激励的变化特征与变速器内众多齿轮副参与敲击的顺序和敲击强度大小有直接而复杂的关系，对此将在后续论文中做深入的研究，文中首先主要基于此特征提出并验证变速器总成敲击的量化评价指标。能量趋势曲线前段和后段均近似线性，中间部分为曲线，通过做延伸线可近似获得A,B两个交点。基于敲击能量曲线的变化特征可将其分为3段：在A点之前的低输入扭矩激励

13、幅值区域，振动能量随TP增加基本保持恒定，称为能量恒定段；在A,B点之间，敲击能量随TP增加呈缓慢上升趋势，称之为能量缓升段；在B点之后，敲击能量随TP增加呈近似线性上升状态，称之为能量线性上升段。根据分段处理可提取能量曲线的特征参数:能量恒定段幅值EO可视为所在工况的背景噪声，将能量曲线减去背景噪声E0,可近似认为所得曲线为纯敲击振动噪声能量曲线。A点作为能量增加的近似起始点，其输入扭矩波动幅值TPA与色图中识别到的42Nm敲击起始点基本相当，因此能量曲线上的A点可作为近似的敲击起始点。利用能量缓升段TP的增量TPAB和能量增量AE以及能量线性上升段E对TP的敏感程度SS能够反应敲击能量随T

14、P的变化趋势。定义特征向量ISIS=TPA,TPAB,AE,SS(6)据上述分析，特征向量IS包含的信息可以较准确的量化还原敲击能量趋势曲线。图5(b)为工况2的数据处理结果，其数据特征与工况1相同。其余工况的数据处理结果均表现出相同的数据特征，采用壳体辐射噪声数据作为处理对象也能得到相同的数据特征。对于变速器总成，规定合理的数据采集点后，通过试验获得多工况IS向量并组成IS矩阵，其可作为变速器总成敲击性能量化评价指标，以用来评价不同变速器之间敲击性能的差距以及同一变速器敲击性能优化后的改进程度。3量化评价指标应用某汽车公司新开发Vl车型搭载某公司五档变速器Bl,要求变速器敲击性能需达到市场同

15、档V2车型所搭载的变速器B2水平。基于试验台架，在平均输入转速为1800rmin平均输入扭矩均为70Nm工况下对Bl和B2的敲击性能进行主观对比评价，台架运行方式与文中试验相同。变速器敲击评价涉及噪声大小、声品质以及心理声学等多方面内容，当前主观评价是对其进行评估的主要手段11J2,文中评价由5名具有47年变速器NVH性能评价经验的工程人员共同完成，分数SC值为5人评分的平均值。评价主要基于敲击起始点、敲击噪声上升的缓急、声品质3个方面综合进行。表4中评价结果表明，Bl在35档的敲击性能相比B2较差。通过每次仅拆除一个从动齿轮(空转齿轮)并进行主观对比评价可以确定，当拆除1档或2档空转齿轮时敲

16、击改善效果最为明显；通过试验获得BI的IG指标值，见表5,表中加深部分表示选中档位的齿轮副不会发生敲击。在35档时，Bl的1,2档齿轮副相比其他齿轮副具有较小的敲击起始时间和较大的敲击剧烈程度，尤其是1档齿轮副，与通过主观评价方式确定的问题点吻合。据此，可确定1,2档空转齿轮对35档时的敲击具有主要的贡献度，为降低高变速器敲击敏感度，可将1,2档空转齿轮作为主要的优化目标。表4Bl和B2敲击性能主观评价得分Tab.4SubjectiveevaluationscoreofB1andB2rattleperfonnanceTPA根据主观估计的敲击起始时间点与输入扭矩曲线对应获取为了优化Bl的敲击性能，分别从降低从动齿轮的敲击敏感度和增加变速器抵抗扭振的能力两个方面进行了改进。降低从动齿轮敲击敏感度：基于文献山的齿轮敲击原理，在满足最低设计强度要求下，通过拓扑优化使1档从动齿轮和2档从动齿轮惯量分别减小11%和9%；