变速器振动对纯电动汽车车内噪声的影响

48机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第1期2015年1月变速器振动对纯电动汽车车内噪声的影响江洪，徐建锋，赖泽豪，徐兴1江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013；2江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013摘要针对目前某款纯电动汽车驾驶室内噪声较大的问题，研究动力总成中变速器的振动对驾驶室内噪声的影响。运用阶次跟踪的方法分析出变速器的主要振动源为齿轮传动系统中的高速级与低速级齿轮啮合，通过对3种变速器进行理论与试验分析，得到变速器振动产生的噪声通过空气传播对驾驶员耳旁声压产生主要影响，影响的频率段为1000HZ以上的中高频段。另外3种变速器由于重合度的提高，减小了齿轮啮合振动，对降低驾驶室内的噪声起到了一定的作用。关键词振动噪声；阶次跟踪；变速器；空气传播；重合度中图分类号TH16；U46972文献标识码A文章编号100139972015叭一004804ANALYSISOFTHEGEARBOXVIBRATIONIMPACTONNOISEINSIDEPUREELECTRICVEHICLEJIANGHONG，XUJIANFENG，LAIZEHAO，XUXING1SCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITY，JIANGSUZHENJIANG212013，CHINA；2SCHOOLOFAUTOMOTIVETRAFFICENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITY，JIANGSUZHENJIANG212013，CHINAABSTRACTTHEVIBRATIONINFLUENCEOFGEARBOXOFPOWERTRAINONPUREELECTRICVEHICLECABNOISEWCL8ANALYZEDBASEDONTHEBIGNOISEINAPUREELECTRICVEHICLECABTHEORDERTRACKINGMETHODWASUSEDTOANALYZETHERESOURCEOFTHEGEARBOXVIBRATIONITWASFOUNDTHATTHEHIGHSPEEDLEVELANDLOWSPEEDLEVELGE01“TOOTHENGAGEMENTWERETHEMAINFACTARFORTHEGEARBOXVIBRATIONBESIDES，THREEGEARBOXESWERERESEARCHEDTHROUGHTHEORETICALANALYSISANDEXPERIMENTALCOMPARISONITWOSCONCLUDEDTHATTHENOISEGENERATEDBYGEARBOXVIBRATIONHADGREATINFLUENCEONDRIVERSEARSOUNDPRESSUREANDTHEINFLUENCEDRANGOFFREQUENCYWASABOVE1000HZTHEVIBRATIONOFGEARBOXWASREDUCEDTHROUGHTHEIMPROVEMENTOFGEARCOINCIDENCEDEGREEITPLAYEDAROLEINREDUCINGEVCABNOISEKEYWORDSVIBRATIONANDNOISE；ORDERTRACKING；GEARBOX；AIRBORNE；COINCIDENCEDEGREE1引言电动汽车与传统的内燃机车在动力系统上有显著的区别，而变速器作为电动汽车动力总成中的一个重要部件，其振动对于整车的噪声有着重要影响。国内外对于变速器的振动噪声已有相关的研究。文献1】应用试验的方法研究变速器对整车噪声的影响。文献从齿轮啮合的重合度以及动刚度方面对动力总成的减振降噪进行研究。文献对变速器本身的啸BQ问题进行分析。文献吩析得出齿轮加工中的公差引起的振动是变速器振动的主要原因。文献喂出基于扭矩振动模型并利用变速箱几何设计参数的优化来降低噪声。然而，对于变速器的研究大部分集中于变速器本身的振动及降噪，与驾驶室内噪声联系不够紧密。通过3种变速器的齿轮啮合重合度分析齿轮副的振动。在此基础上通过试验研究变速器的振动对驾驶室内噪声的影响。2变速器振动噪声产生机理变速器系统主要由齿轮系统以及轴承等组成。对变速器振动噪声的形成，一般认为是由于齿轮在传动过程中，由于齿轮的弹性、制造或装配误差等因素，引起啮合冲击而产生振动与声辐射，并通过轴、轴承传至箱体。其噪声的传递途径主要包括两个1由齿轮表面产生的噪声直接或者间接地通过轴传播到空气中向四周辐射噪声；2由于冲击而产生的强迫振动使齿轮系统的各部分被激励，形成再生噪声乃至共鸣噪声。因此，齿轮传动系统的振动是产生变速器箱体噪声的主要振动源。齿轮在传递运动和动力的过程中，齿廓上的啮合点沿齿廓线上下移动，引起啮合刚度发生变化。为了保证齿轮运动的平稳胜，所有齿轮副的重合度均大于1，且不为整数。啮合过程中将会出现单齿啮合区和双齿啮合区，由此会导致啮合刚度发生突变，使得承受的载荷也随之变化，产生周期性的冲击，导致齿轮系统的振动和噪声。在考虑齿轮啮合振动时，可以通过来稿日期20140620基金项目国家863节能与新能源汽车重大项目2012AA111401，新能源汽车产业技术创新工程项目作者简介江洪，1963一，女，湖南益阳人，硕士，教授，主要研究方向汽车工程、CADCAECAM；徐建锋，1989一，男，江苏通州人，在读硕士研究生，主要研究方向汽车工程、机械设计第L期江洪等变速器振动对纯电动汽车车内噪声的影响49增大齿轮啮合重合度来减小振动。因为在传动过程中，如果将齿轮的啮合看作是个弹生系统，由于其间的接触刚度随齿轮的转动不断变化，必然引起轮齿间的啮合冲击。传动误差的幅值是振动的主要因素，而重合度决定了工作载荷下的传动误差，当重合度较大时，齿轮副在载荷作用下能够获得较好的传动误差曲线和传动的动态杼陛_翻。因此增大齿轮传动的重合度，有利于改善齿轮传动的平稳性和齿间载荷分布，从而降低齿轮副的啮合振动。3变速器齿轮副重合度计算针对国内某款纯电动汽车上所使用的变速器进行研究。由于受到车身以及安装空间等因素的影响，将变速器做成减速器与差速器一体式的结构，如图1所示。且变速器齿轮传动是二级传动，传动示意图，如图2所示。为了方便验证重合度提高对降低齿轮啮合振动产生的影响，对3种变速器进行理论计算与试验对比。3种变速器结构上没有太大的变化，只是在齿轮参数上进行了调整。具体的齿轮参数，如表L所示。图1变速器实物图FIG1GEARBOXPHYSICALMAP图2齿轮传动示意图FIG2GEARSCHEMATICDIAGRAM表1三种变速器各齿轮参数TAB1GEARPARAMETERSOFTHREEGEARBLOXES其中1号齿轮中的低速级啮合4、齿轮的齿轮变位系数为0452，低速级啮合的大齿轮的齿轮变位系数为02207，其余齿轮变位系数均为0。在该变速器中使用的都是圆柱斜齿轮，斜齿轮的重合度由端面重合度和纵向重合度相加得到。端面重合度的计算公式，如式1所示，纵向重合度的计算公式，如式2所示。S。TANAATANOZT把TANOZ2TANC12叮T式中小齿轮齿数；历_大齿轮齿数；一齿顶压力角；一啮合角；6齿宽；度圆螺旋角；M一法向模数。由式1和式2可以计算出3种变速器二级的啮合重合度。计算结果，如表2所示。表2三种变速器重合度TAB2COINCIDENCEDEGREEOFTHREEGEARBOXES由表2中计算得到的重合度可知，3种变速器高速级齿轮啮合时的重合度变化不大，3号变速器稍微提高了一点，但是低速级齿轮啮合时的重合度发生了较大的变化，2号变速器较1号变速器而言有了较大提高，3号变速器的重合度是3种变速器中最高的。因此理论上而言3号变速器比1、2号变速器传动更加平稳，载荷分布更均匀，振动更小。4变速器振动对车内噪声影响试验分析变速器中的齿轮系统由于在传动过程中产生啮合振动从而产生噪声，而其噪声又通过空气传播向外界辐射，同时变速器啮合振动导致箱体的振动，箱体的振动又通过结构传递给车身，空气噪声与结构噪声的综合作用将会影响驾驶室内的噪声水平。前面通过齿轮啮合重合度理论上分析得出3号变速器的振动相对较小，其对驾驶室内的噪声水平影响相对较低。为了验证理论分析的结果，将3种变速器分别安装在某纯电动汽车上做振动噪声试验，通过试验进行对比分析L71Q。为了研究变速器的振动，试验中采用了阶次跟踪的方法进行研究。该方法是通过采集系统振动信号和转速信号，根据转速信号对振动信号进行重采样，使等时间序列振动信号转化为等角度序列振动信号，对重采样后的信号进行功率谱计算，将信号分析尺度由频率一幅值改变为阶次一幅值_1LJ。阶次的定义式如式3所示。Z亩3式中产_频率；R基准转速；，2_一阶次。本试验中先在1号变速器上布置了三向加速度传感器，并安装在车上，通过LMS数据采集器对测点的振动信号进行采集并进行后处理，得到如图3所示的阶次谱。NO1JAN2015机械设计与制造51低频段，同时在1000HZ左右的中高频段也有部分峰值。在1000HZ以上的中高频段，随着车速的增加，耳旁声压也逐步增加，不同车速下耳旁声压有明显的高低之分，呈现明显的阶次关系。同时因为驾驶室内中高频段的噪声主要由于空气传播的噪声组成，因此在这个频率段由动力源电机带动变速器运转时产生的振动噪声通过空气传播对于驾驶员耳旁声压的影响比较大。但是在100HZ以下的频率段，尽管电机转速不同，但耳旁声压值相对集中，并没有呈现出明显的高低之分，同时对比图4中3种变速器在相同电机转速下的声压级，最大的声压级都在70DB左右，改变并不明显，这说明由电机及变速器组成的动力总成系统对于这个频率段的噪声影响不是起主要的作用，更主要的原因是结构振动传递至车身使车身与车室空腔产生共振。由于驾驶员耳旁声压只是室内的一个场点，并不能完全代表室内噪声，为了更清楚的得到3种变速器下驾驶室内的噪声水平，采用了声级计来测量驾驶室内的噪声值，采用A计权。3种变速器在不同车速下的噪声值，如表4所示。表4三种变速器不同车速下的驾驶室噪声值TAB4CABNOISEVALUESOFTHREEGEARBOXESATDIFFERENTSPEEDS驾驶室内匀速噪声DB牛迷M“1号变速器2号变速器3号变速器从表4可以看到3种变速器中，电动汽车在安装了3号变速器时车内的噪声值有了明显的降低，最高车速时只有699DB，2号变速器次之。这是由于23号变速器齿轮齿数的变化导致高速级齿轮啮合与低速级齿轮啮合的理论阶次发生了变化，2号变速器的高速级齿轮啮合的理论阶次为17阶，低速级齿轮啮合的理论阶次为8505，3号变速器的高速级齿轮啮合的理论阶次为22阶，低速级齿轮啮合理论阶次为119阶，这样都避开了原先1号变速器中齿轮啮合振动时的主要阶次，振动得到降低。由先前的理论分析可知，3号变速器的齿轮啮合重合度是最高的，因此引起变速器的振动相对较小，产生的噪声较小，对于驾驶室内的噪声的影响相对较低。同时随着车速的提高，噪声降低更明显。5结论首先从理论上分析变速器产生振动的主要原因，进而分析提高齿轮啮合重合度来降低振动，在此基础上通过试验来研究变速器振动与驾驶室内噪声的关系，得到如下结论，对于将来进一步减振降噪有一定的作用。1通过振动噪声试验，确定了驾驶室内噪声主要集中在100HZ以下的低频段，同时动力总成的振动以变速器第一级和第二级齿轮啮合振动为主。此外，提高齿轮啮合重合度对降低驾驶室内噪声有一定作用。2在1000HZ以上的中高频段，变速器及电机组成的动力总成系统的振动产生的噪声通过空气传播对驾驶员耳旁声压起到主要作用，而在100HZ以下的低频段，它对耳旁声压并没有明显的影响。参考文献1郭利，黄道业汽车变速器NVH的试验研究J湖南工程学院学报自然科学版，2012，2242022，35GUOLI，HUANGDAOYEEXPERIMENTRESEARCHOFAUTOMOBILETRANSMISSIONOFNVHLJJOURNALOFHUNANINSTITUTEOFENGINEERINGNATURALSCIENCEEDITI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