汽车手动变速器振动噪声特性试验研究

1、汽车手动变速器振动噪声特性试验研究相龙洋左曙光孙庆孟姝(同济大学新能源汽车工程中心上海201804)【摘要】手动变速器的噪声控制是汽车噪声控制的难点之一。基于低噪声变速器测 试台，对某五档手动变速器的噪声特性进行了全面测试。然后利用阶次分析方法与转速 跟踪法相结合，对变速器远近场噪声信号以及加速和稳态工况噪声信号进行对比分析。 分析表明，变速器近场噪声信号较远场信号能更准确地反映其本身噪声特性，输入轴的 剧烈振动引发一二挡位噪声随转速急增现象，高速工况下变速器某位置的振动水平明显 高于其他位置。分析结果为低噪声变速器的仿真计算和优化指明了方向，并提供了试验 支持。关键词：手动变速器台架试验加速

2、噪声振动特性 中图分类号：u463.212 文献标识码：athe experimental study of nvh characteristics of automotivemanual transmissionsxiang longyang, zuo shuguang, sun qing, meng shu(clean energy automotive engineering center, tongji university, shanghai 201804,china)abstract the noise control of manual transmissions is one

3、of the difficult points of that of automobiles. a comprehensive noise test of an automotive five-speed manual transmission was conducted based on low-noise test bench. then the paper made use of order analysis method and rotate speed tracking method to make a detailed analysis of the test data, incl

4、uding the noise contrast of far and near fields and the noise rules of accelerating and steady conditions. from the analysis the paper concluded that the near field noise of transmission can reflect its natural noise behaviors, the vibration of input shaft is the reason of the rapid increase of nois

5、e along with the speed of the transmission at the 1st and 2nd gear, the vibration of one certain position of the transmission is much severe than others. these conclusions provided the test foundation and indicated the orientation for the design and optimization of low noise transmissions-key words:

6、 manual transmission, bench test, accelerating condition noise. vibration behaviors基金项目：国家自然基金项目资助()，博士点基金项目资助(27)1前言汽车噪声水平是衡量汽车性能的重要指标, 因此汽车噪声控制是目前世界汽车工业的一个 重要课题。变速箱是汽车主要噪声源之一，在很 大程度上影响了汽车的车内噪声和通过噪声，因 此很有必要对其进行研究并最终达到减振降噪 的目的。变速箱是一个复杂的齿轮箱，零件较多, 其噪声成分较复杂5。仅仅靠理论分析与仿真计 算很难得到变速器的准确噪声特性，为了全面掌 握变速器的噪声变化规

7、律进而对其结构优化，需 要对变速器进行噪声测试，以试验数据为基础, 来分析变速器的噪声特性，这样得到的规律才更 有指导意义。本文介绍了变速器噪声测试的过程，并根据 试验数据综合分析，比较变速器远近场的噪声规 律，分析变速器加速工况以及高速工况的振动噪 声特性，有助于为进一步的变速器仿真优化确定 仿真工况等信息。2变速器噪声测试2.1试验装置与测量仪器nic3图1试验装置及传感器测点布置本试验针对某国产五挡手动变速器进行噪 声测试。试验过程中，将变速器安装于半消声 室内，通过传动轴与半消声室外的驱动部件和负 载部件相连，半消声室内的传动轴部分均包有吸 声材料，以减小传动轴噪声对被测变速器噪声的

8、干扰。试验工况及传感器布置参照国标qc/t 568.1-2010。3个声压传感器分别布置在变速器 的正上（+z）、前（+x）、后（-x）3个方向。前后 两个传感器保持水平，正上方传感器保持竖直， 传感器均指向变速器。十个振动传感器贴在变速 器表面不同位置。试验装置及传感器测点布置如 图1所示。电机电机吸声材料半涓声空mic2另一种是瞬态试验：分别测试了变速器在一、二 三挡时转速从1000r/min到5000r/min的匀加速 过程中的噪声随转速变化以及变速器在四、五挡 时转速从1000i7min到4000r/min的匀加速过程 中的噪声随转速变化。3 .阶次分析方法阶次分析是研究旋转机械的升降

9、速过程的 振动噪声信号的常用方法阶次分析本质上就 是基于参考轴转速的频率分析。在阶次分析中， 阶次（。）定义为每转的波动次数叫， 即。=波动次数/转数（阶）。阶次。与频率f之间的关系为0 = 60/ 式中，为参考轴转速，单位为r/min。4,数据处理及分析 4. 1远近场噪声对比分析为了确定远场或近场能更真实的反映变速 器本身的噪声特性，试验中首先将声压传感器置 于不同位置，分为远场和近场两种情况测量变速 器噪声。4.1.1远近场噪声指向性规律近场测量时声压传感器离变速器表面 300mm,远场测量时距离1000mm。下面以变速 器五档4000r/min扭矩40%tmax （tmax为变速 器最

10、大扭矩）工况为例（其他档位情况与此类 似），对比变速器的近场和远场噪声，如图2所 zjx o95.00远场85.602. 2试验过程本次试验模拟了变速箱的典型工况。为了能够测试变速器的整体噪声水平并系统分析变速50.00 f ov 心方 r f gra二苴万-x f o#erall2x*z器的噪声特性，进行了两种不同的试验。一种是稳态试验：分别测试了变速器在一、二、三挡时的 5 个不 同转速（1000r/min , 2000r/min , 3000r/min, 4000r/min, 5000r/min）下的噪声和 变速器在四、五挡时的4个不同转速（1000r/min，ii51015202530

11、95.0050.00051015202530时间/时间/ s图2远近场噪声水平对比2000r/min, 3000r/min, 4000r/min）下的噪声。各工况噪声的声压级规律如下：远场噪声前 方（+x向）噪声声压级最大，其次是后方（-x向）， 正上方（+z向）噪声声压级最小；而在近场，正 上方（+z向）噪声声压级最大，其次是前方（+x 向），后方（.x向）噪声声压级最小。即远近场测 得的噪声指向性规律相反。4.1.2远近场噪声指向性差异原因分析为了确定变速器远场和近场噪声中贡献较 大的阶次成分，对变速箱近场和远场噪声信号进 行了阶次分析，选取高档位高转速工况数据进行 对比。图3是变速器五挡

12、下4000r/min扭矩 40%tmax时变速器前、后和正上方三向远场和 近场噪声阶次谱图。1.00,0.421长场i0.42瓶出24.90,0.16 f-autopowert7方r0.00dj. id)102030405060708090 100阶次/ order0.4211.00.0.32o.oof匚.124.90,0.04 f-autopover 后方r)102030405060708090 100阶知order0.42mm £24.90.0.09 f-autopokerz±*z0.00iiit0102030405060708090 100阶知order因此对于近场和

13、远场的三向噪声规律不一 致的主要原因在于噪声中的1阶成分，试验中的 一阶振动主要来源于台架驱动端的传动轴和与 驱动端相连接的变速器输入轴。又通过比较前方 （+x向）的近场和远场阶次谱，在近场阶次谱 中没有明显的1阶次成分，因此该阶次噪声只能 来源于试验台架本身的传动轴。下面对该现象进 行解释。近场和远场测试示意图如图4所示。传动轴 产生的1阶振动通过传动轴隔声材料的各个面 传播到空气中，并且各板件声音的传播具有指向 性，结合示意图可知：近场mic2和mic3声压 传感器能接受到来自变速器箱体振动辐射的噪 声，但是不能接收到来自传动轴外隔声材料的表 面振动辐射出来的噪声。而远场mic2和mic3

14、 却恰恰能反映出该表面的噪声。由于传动轴隔声 材料正上方表面的声学处理较好，在远场和近场 都不能测到该方向明显的1阶次的噪声信号。mic 20.42 r0.0024.90,0.23近场autopotert7*xmic 30.42hu旺0.00.24.90,0.13 f autopower 5li xi0102030405060708090 100阶次/ order0102030405060708090 100 f autopowerz-k*z i ji lll90 1000.42111 出£0.001020304050607080阶匆order阶;知order24.90,0.42图3

15、远近场噪声阶次谱图变速器远场前、后方噪声幅值最大的阶次为 1阶，其次为24.9阶，且前方噪声幅值高于后方 噪声对应阶次幅值。而变速器正上方噪声的1 阶成分并不明显，该方向幅值最大的噪声阶次为 24.9阶。且正上方噪声幅值最高，前方噪声幅值 次之，后方噪声幅值最低。图4远近场噪声测试麦克布置另外，变速器正上方近场噪声能量主要集中 在24.9阶且要高于其它两个方向，属于高频， 而高频能量随着距离的增加，衰减较快。因此, 在远场正上方的声压比另外两个方向的都要低, 而近场则正好相反。因此，在本次试验中，近场噪声测试能更准 确地反映变速器本身的噪声特性，减小台架设备 噪声的干扰。所以后续的分析均是基于

16、近场噪声 信号进行的。4. 2加速工况噪声特性分析 4.2.1加速工况噪声变化规律为了反映汽车加速时变速器的噪声特性，试 验中对变速器进行了加速工况试验。分别测试了 变速器在各挡位下匀加速过程中噪声水平随转 速变化情况。图5为变速器在扭矩60%tmax时 各挡位前方近场噪声随转速变化情况，正上方和 后方与此情况类似。50.00100.003000.001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 ?is/rpm图5各挡位前方位置噪声水平随转速变化由图5分析可得：随着转速增加，变速器噪 声逐渐增大。其中一、二挡的噪声值随变速器转 速的增加而增长的速度最

17、快。在转速3ooor/min 以上时，一、二挡噪声值最高，四、五挡的噪声 值居中，三挡噪声值最低。即变速器在一、二挡 高速时出现噪声随转速增加而急增的现象。4. 2. 2加速工况低挡位噪声急增现象分析变速器一挡（扭矩60%tmax）下的声压阶 次云图及其阶次切片如图6所示。由图6可知一挡（扭矩60%tmax）下云图 中13阶次的能量较高，但从阶次切片中可看出, 高转速下该阶次的声压增速不大，因此13阶不 是声压急增的主要原因。1阶能量在低速的时候 虽然不高，但在高转速（3ooor/min以上）时， 该阶次能量随转速增加而迅速增大，且其变化趋 势与图5所示一挡总声压级变化趋势相吻合。因此可以推断

18、在一挡下，变速器输入轴引起 的一阶振动是该处噪声急增的主要原因。同理可 解释二档情况。在进一步的动力学分析和仿真研 究中需要对输入轴的振动特性加以关注。4. 3高速工况振动特性分析正常工况下，变速器五挡时的噪声高于其他 挡位，并随转速的升高而增大。且五挡为车辆实 际行驶时常用到的经济挡位。因此下文研究变速器五档尤其是高速时的振动噪声特性。0500100015002000图6 一挡声压云图及其阶次切片4.3.1特征阶次计算根据文献可知，某轴上齿轮副的啮合阶次 为其中主动齿轮的齿数。在同一挡位，无论转速 如何变化，各齿轮的对应阶次是不变的。本文所研究的变速器，五挡的挡位齿轮副 中，主动齿轮齿数38

19、,从动齿轮齿数29。主减 速齿轮副的主动齿轮齿数19,从动齿轮齿数79o输入轴为参考轴，其转动阶次为 o =lwd。变速器五挡的挡位齿轮啮合阶次为q = 38。以。中间轴转动阶次为参考轴阶次乘 以传动比，qq即oaxisl= = 3ord主减速齿轮啮合阶次为o, =19x1.31 = 24.90”4. 3. 2振动特性分析图7所示为变速器五挡加速扭矩60%tmax工况时1测点z向得到的阶次谱图。其他各点得5.结论到结果与此类似。0.001壬二十位位位位位位位12 3 4 5 8 9图7五档加速工况1位徂z向阶次谱图通过对各测点得到的振动阶次谱图进行综 合比较，可得到试验测得的变速器特征阶次为

20、24.9ord、38.0ord、49.75ord> 76.12ord、113.9ord。 其中的38.0ord、76.12ord和113.9ord分别为挡 位齿轮啮合阶次的1,2,3倍；24.9ord和49.75ord 分别为主减速齿轮啮合阶次的1,2倍。由此可知, 变速器的振动主要是由输入轴与中间轴的挡位 齿轮啮合过程以及主减速齿轮啮合过程共同引 起的。综合比较变速器10个振动测点共16个方向 测得的振动加速度数据，可知x向各测点的特 征阶次对应的振动加速度幅值较大。图8为变速 器x向共7个测点的特征阶次对应振动加速度 的折线图。阶次/ord图8 x向各测点特征阶次振动能量比较从图4可以看出，几个特征阶次中，振动加 速度幅值较大的阶次为24.9ord (主减速齿轮啮 合阶次)和76.12ord (挡位齿轮啮合阶次2倍)。 尤其是4位置(箱体表面前方靠近输入轴部位), 76.12ord的x向振动加速度幅值明显高于其他 各点，达到1.9g。因此在以后的动力学分析和仿 真计算中，需要重点研究4位置的振动噪声特性 并进行相应的结构改进优化。本文介绍了某国产汽车手动变速器的噪声 测试过程，并对试验数据进行了详细分析，首先 比较了变速器远场和近场噪声的区别并解释了 噪声指向性不同的原因，其次细致分析了变速器 加速工况噪声特性，最后分析了变速器五档高速 工况的振动特性。文中得出以下结