变速器振动噪声产生机理研究

杨亚楠 朱春华 靳 越

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.张家口职业技术学院,河北 张家口 075000)

0 引 言

变速器在实际工作中产生的振动噪声会严重影响整车的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能,破坏驾驶员的驾乘体验.为了解决这一问题,国内外研究人员首先从振动噪声产生的机理入手,进行了大量卓有成效的研究,为后续寻求变速器减振降噪的具体措施奠定了基础.1958年,国外学者Harris,S.L对齿轮副的动态载荷进行了研究,研究表明啮合振动是在轮齿刚度的非线性和时变性的作用下产生的,他率先提出与齿轮振动噪声密切相关的传递误差概念[1-2];1997年,我国学者李润芳教授撰写了专著《齿轮系统动力学-振动冲击-噪声》,阐述了齿轮振动与噪声产生机理、齿轮传动系统的非线性等问题[3];2010年,曾作钦等探究了齿轮的啮合阻尼和啮合刚度对齿轮振动噪声的影响[4];2012年,李进超研究了在变速器内部激励和外部激励作用下变速器振动噪声的特性,探讨其振动噪声产生的机理[5];2022年,韩小伟等人针对双离合自动变速器在变档过程中产生的振动噪声问题展开分析研究[6];2023年,王福军等人对因变速器齿轮传递误差而引起的振动噪声进行研究 ,结果表明增加合理轮齿微观修形参数,可明显减小变速器振动响应[7]。

1 变速器振动噪声产生机理及传递路径

变速器是一种由多种零部件组成的复杂齿轮传动系统,其振动噪声产生的激励源是多种多样的[8],如图1所示.总体来说,变速器的振动噪声激励源可以分为外部激励和内部激励两大类.其中外部激励主要由动力源的扭矩及转速波动、连接动力源与变速器的传动轴的扭转特性、相关传动零部件的激励特性(离合器的非线性、滚动轴承刚度的时变性等)构成;内部激励主要包括变速器的齿轮时变啮合刚度激励、啮合误差激励以及啮合冲击激励.这些激励会使变速器的啮合齿轮副产生动态啮合力,使齿轮发生圆周扭转振动,之后通过齿轮轴、轴承引起轴承孔的径向及轴向振动,并进一步导致变速器箱体的振动,整个过程产生的噪声最终辐射到外界环境当中.

图1 变速器振动噪声产生激励源

2 变速器振动噪声激励源分析

大量研究表明,轮齿啮合时产生的内部激励对变速器总成振动噪声产生的影响最大,且在原动机的外部激励恒定时,此内部动态啮合力也是始终存在且无法消除的,该内部激励也会使变速器的齿轮系统产生振动[3].因此本文着重从齿轮系统内部激励入手进行变速器振动噪声激励源的分析.

齿轮传动系统模型如图2所示,通过构建齿轮系统动力学方程并对其进行近似变换,从而进一步分析研究齿轮系统内部的动态激励,得到变速器振动噪声产生的机理.

图2 齿轮传动系统模型

对于所建立的齿轮传动系统模型,可用非线性动力学方程表示为:

(1)

式中:

M——齿轮副等效质量;

C——系统阻尼系数;

K(t)——齿轮副的时变啮合刚度(该刚度为齿轴刚度、结构系统刚度、结合部刚度及齿轮啮合的综合);

xs——静态相对位移向量;

x——动态相对位移向量;

e(t)——齿轮综合误差(时间t的函数);

Ps——静态载荷.

上式(1)可以改写为:

(2)

又,

(3)

针对上述的非线性动力学方程,对其进行近似变换,可得到:

(4)

式中:

K(t)——齿轮啮合刚度中的变刚度部分;

S(t)——啮合冲击激励力.

上式4中,等式右边为振动的激励力,其中ΔK(t)e(t)是啮合刚度激励与误差激励的综合,S(t)表示啮合冲击激励.由此可以看出,齿轮系统在啮合时所受到的综合动态力是由轮齿刚度激励、误差激励、啮合冲击激励所引起的,并会产生相应的振动激励反馈.

3 结 论

本文首先对变速器振动噪声产生机理及传递路径进行研究,然后通过构建变速器齿轮传动系统动力学模型,根据齿轮系统非线性动力学方程,对变速器振动噪声产生激励源进行分析,找到了齿轮时变啮合刚度激励、齿轮误差激励以及齿轮啮入啮出激励等较为关键的内部动态激励,为后续变速器减振降噪措施的研究奠定了基础.