汽车传动系扭振噪声的发生机理及控制方法述评

f L 7一 · 综 述 · 汽车传动系扭振噪声的 发生机理及控制方法述评 吉林工业大学 吕振华 冯振 东 程维娜 人民交通出版社 — 、／ Ab~ act TorsJonal vibration in automotive ansmiss1on system is one of the predominant factors causing interior vibration and noise，and rcglucing ride comfort of motor vehicles．In this paper the principal [eat~ es of torsional vibTation in ~tttomotive trangmi~ion system ate described、the mechanism leading to the torsional vibration noise in main pa rts and components of gearbox and rea l axle final drive in transmL~Jon system as well a iB control way are COITIF0en10d· 【擒要】指出汽车传动系的扭转振动是产生车内振动噪声．降低汽车乘坐舒适性的重要根源 之一；阐述了汽车传动系扭转振动的主要特点；对传动系中变速器、主减速器等主要零部件的扭振 噪声的发生机理及控制方法进行了评述。 ．／ 主词 ：汽车 传动系 扭转振动 噪声 一 、前 言 为提高汽车的动力性能和降低其燃料消 耗率，常采用的技术措施是，采用柴油机并强 化发动机的动力性能，以及减小汽车的整车 装备质量等。但是，柴油机的工作平稳性 比汽 油机差，且在强化其动力性能的同时 +曲轴扭 矩和转速波动率一般也随之增大，因此将使 汽车的传动系受到更强烈的扭振激励。另外+ 传动系的轻量化，也会导致其扭振响应幅值 进一步增大 ，这也限制了一些可降低扭振噪 声措旖的应用。对于具有较低振动噪声级的 汽车，传动系的振动噪声甚至会成为引起车 内噪声的主要原因。因此，必须注重汽车传动 系扭振噪声的控制问题n 。 二、汽车传动系扭振特点 随着扭振研究工作的逐步深入，优选具 有良好扭振特性的传动轴系设计和附设 其它减振元件(动力吸振器、弹性联轴节和传 动轴副齿轮等)，已成为控制现代船舶柴油机 1993年 第 2期 传动轴系扭振的主要方法“ 。在对汽车传动 系扭振进行研究时．这些方法都得了程度不 同的借鉴。 由于汽车的传动轴系较少发生因扭振引 起的强度破坏等事故 ．故使其具有和船舶传 动系扭振不同的一些特点。 】．汽车传动系扭振会导致齿轮 传动装 置产生噪声 ．并与整车纵向振动、传动系弯曲 振动和驱动桥悬架系扭曲振动等互相耦合+ 产生复杂的结构振动和车内噪声 +严重影响 汽车的乘坐舒适性 ．对于在松软路面上行驶 的越野汽车，传动系扭振还会降低驱动轮的 附着性能．从而影响车辆的通过性 。 2．汽车传动系扭振 的激励源较多+因此 导致了较为复杂的扭振响应特性。其中，发动 机曲轴扭矩波动始终是扭振的主要激鼬源。 另外 ，万向节非等速传动 ．会使传动轴产生复 杂的非线性扭振、万向节传动输出轴转速波 动激起的主减速器扭振、主减速器锥齿轮 副 啮合误差的主谐量、干摩擦式离台器在接合 过程中的不均匀性 、路面的随机性 (或甩期 — — 1 —— 维普资讯 http://www.cqvip.com 性)变化，以及汽车驱动轮的不平衡等，都是 激起传动系扭振的激振因素。 3．汽车传动系的结构 比较紧凑 ，且其运 转速度变化范围很宽(发动机最高工作转速 可达其最低工作转速的 5～10倍)。因此 ，通 过改变传动系的结构设计来避免在常用转速 范围内发生扭振共振是很困难的。 三、扭振噪声的发生机理及控制 方法 ’ 由汽车传动系扭振引起的噪声主要来 自 变速器、主减速器和驱动发动机附件的齿轮 系。早期曾将其归结于齿轮等零部件的质量 缺陷，后来才认识到它们与传动系的扭振密 切相关 。 1．变速器噪声 通常所指的变速器噪声产生过程如下 由传动系扭振引起齿轮副(以及花键副，下 同)的齿间i中击，齿轮轴将受到的冲击经过轴 承传递给箱壁，激起箱壁的横 向振动，由此激 发周围空气振动 ，产生噪声 ，并传人车内。此 外，齿间冲击噪声也会透过箱体而传播 ，并对 箱壁产生激振力，不过这种激振作用较小。 变速器齿轮副的齿问冲击在汽车行驶过 程中或停筝 (发动机怠速运转)时均可发生， 当传动系发生某阶扭振共振，或当来自曲轴 的扭振激励较强(低速或怠速工况)时，其冲 击也较强。经常发生轮齿冲击的是变速器中 一 未传递工作扭矩的常啮合齿轮副，但若扭矩 振幅超过其平均值时，传递扭矩的齿轮副也 会产生轮齿冲击 。当变速器润滑油温度升高 而使其粘度降低时，轮齿冲击更易于发生。试 验和计算分析结果表明 ，当汽车停驶而发动 机怠速运转 时，引起变速器噪声的主要原因 是第一轴与中间轴之间的常啮合齿轮副的齿 间i中击，其次是中间轴与第二轴之间的常啮 合齿轮副以及离合器花键副的齿间冲击cs 。 该振系的非线性扭振特性有时会导致变速器 噪声级产生显著的跳跃现象，而人耳对其变 北 幅度往往更敏感 ，因此降低患瞳耐的变速 一 一 一 器噪声是一个尤为重要的问题。 变速器噪声虽起因于轮齿的冲击，但与 箱体的固有振动特性也密切相关。研究表明 ， 变速器噪声级与其箱壁的振动 加速度成正 比 ，变速器 的最严重噪声往往发生在齿轮 系扭振较强且箱壁处于共振状态的情况下。 因此 ，为降低变速器噪声 ，必须从各个方面采 取综合控制措施。但是，应该注意到，大多数 减振降噪措施的可行性都程度不同地受到汽 车基本性能和制造技术的限制。对目前采取 的主要控制方法分析如下： (1)减小发动机曲轴扭矩 (或转速)波动 率 增大飞轮的转动惯量是达到这一 目的的 有效措施之一，但会对发动机的减速性能和 变速器的换档性能产生不利的影响，而且也 与汽车轻量化的要求相背离。男外 ，提高发动 机怠速转速也可减小曲轴转速波动率，从而 有别于怠速时变速器噪声的降低，但这样叉 会使油耗率增加。’ (2，减小变速器齿轮副的啮合 间隙 这 是降低齿轮噪声的一种有效措施。但从变速 器设计和瓤造上保证多个齿轮副均具有适当 小的齿隙是比较 困难的，而且过小的齿隙会 产生困油现象，反而会导致更强烈的噪声。因 此 ，采用 附加元件。 (副齿轮)或在啮合齿面 上增设橡胶一金属弹性材料附层 来减小齿 间冲击的方法受到了重视，尤其是后者 ，它体 现了一种全新的齿轮设计思想 ，具有多方面 的优 越性 ，可 比传 统齿 轮 降低 噪声 10～ 20dB。 (3)改善齿轮 系的扭振特性 根 据文 献。 的结构动力学最优修改原理，可通过修 改扭转刚度和转动惯量以改变传动系的部分 固有扭振特性“ ，降低齿轮系的扭振共振幅 值或将有关的共振临界转速移至常用工况范 围以外。另岁h必要时可在传动轴前端等处采 用阻尼式扭振吸振器，以进一步消减齿轮系 在共振或非共振工况下的扭振响应。 (4)改善箱体的固有振动特性 为避免 箱壁受来 自齿轮系的激励而发生共振，可设 汽 车 技 木 维普资讯 http://www.cqvip.com 法提高箱体固有频率 。比较有效的措施是使 箱壁曲面化，并适当加厚箱壁或在其薄弱处 加筋 。随着设计技术的提高 ．应在设计阶段对 箱体的固有振动特性进行计算预测，据此将 箱壁进行变形或加厚的设汁。 (5)采取隔振措施 在变速器的每个轴 承座上装入 一只由阻尼合金材料制成的隔振 环，即可大幅度地削弱轮齿向箱壁传递的冲 击力““．此种减振降噪方法简单 、有效。 (6)增大变速器内润滑油对齿轮的拖曳 阻力矩 这需增加油液深度或粘度 ，但一般 仍不能使拖曳阻力矩达到足以阻止无负载常 啮合齿轮副发生轮齿冲击 的要求 ，因而不能 显著地降低变速器噪声 ，却可能导致一些不 利的结果 ，如使油温升高 ，粘度反而减小，或 使变速器的换档性能变差。 另外 ，为了消除发动机机体振动引起变 速器箱体振动而产生的辐射噪声、在利 甩手 制动器驻车而发动机怠速运转期间变速器轮 齿冲击引起的手制动索的高频振动和噪声、 汽车动力总成通过悬置件在车架上的剐体型 振动引起的变速杆和手制动索的振动噪声 ， 应在相关的振动传递途径上进行适当的结构 修改设计和采取一些辅助减振措施。 2．主减速器噪声 (1)主减速器噪声的类别 主减速器噪声是指由于主减速器振动引 起的车内噪声 ，按其发生机理可分为两类 ： ① 当汽车 传动系在小扭矩 负荷下工作 时，由于传动轴的不等速传动或曲轴扭矩波 动所激励的传动系扭振，将导致主减速 器锥 齿轮副的轮齿冲击，由此产生的噪声即称之 为主减速器齿轮噪声。这种噪声会严重令人 不适。 ③当传动系发生较强的扭转或弯曲振动 时，通过主减速器小锥齿轮的耦合作用，可使 驱动桥一悬架系产生绕驱动轮轴线的回转俯 仰角振动(简称为驱动桥回转振动 ，有时也称 之为悬架板簧卷曲振动)，悬架作用于车身 (承载式或非承载式)的交变力又诱发驾驶室 1993年 第 2期 或车身的薄板振动而产生结构噪声和空腔空 气噪声，称之为驱动桥噪声或悬架噪声 当以 上系统的扭转振系、弯曲振系和 回转振系之 一 发生共振时，驱动桥回振及由此引起的车 内噪声便显著增大，这种噪声可在较宽的频 率 范 围内(约为 4O0～2000Hz)发生，但其频 率成分较单一，接近于纯 音，人耳 对其很敏 感 ，即使它比车 内的其它噪声低 10dB，也会 使乘员感到不适。 (2)控制措施 ①减小传动轴的转速波动和主减速器锥 齿轮副的传动误差。但前者与传动轴的设计 布置有关，且随汽车运行工况而变 ，后者则取 决于锥齿轮副的加工与装配质量。因此，减小 传动系扭振激励将受到各种因素的限制，不 易取得显著的效果 。 ③改善有关各振系的固有振动特性。首 先 ，采取各种结构修改措旖 ，对传动系的一些 扭振和弯振模态频率进行调整 ，使两者互相 适当分离 ，同时也远离驱动桥回振模态频率， 以免发生耦合共振 。基于同样的理由，还应对 车身的有关弯曲振动模态频率进行调谐。因 驱动桥对其 回振轴线的转动惯量和悬架在回 振方 向的弹性特性都不易改变 ．所以不便调 节回振模态频率。但实际上，因悬架系内各连 接点上设置有橡胶衬套 ，这些衬套在起 隔振 缓冲作用的同时也降低了回振模态频率。其 次 ，可利用附加质量或阻尼式动力吸振器使 传动系扭振和弯振模态在主减速器输入轴处 的振幅得以减小。此外 ，在新车设计 开发阶 段 ，如能对车身的弯曲振动模态进行计算预 测，则应将悬架弹性元件与车身的连接位置 选定在车身的主要弯曲模态的节点附近。 ③在悬架机构与车身的连接处加装弹性 元件以隔振；对于承载式车身，还可在底板上 涂附阻尼材料 以减振。 3．发动机齿轮系噪声 发动机 曲轴前端的扭 振角位 移较大 ，因 此 ，由曲轴驱动的发动机附件的齿轮系容易 发生较强的扭振，并因轮齿间的冲击而产生 一 3 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 噪声。当曲轴发生扭振共振时 。这种噪声甚至 会成为发动机噪声的主要成分。在曲轴前端 安装阻尼式扭振减振器 ，可 减小扭振共振 角位移响应。降低齿轮噪声和 曲轴扭振。 四、小 结 综上所述 可见，汽车传动系的扭振噪声 问题是 比较复杂的，尽管 已对其进行对不少 的研究，并通过试验和计算分析解决 了一些 具体问题 。但仍存在一些重要的理论和实际 问题尚待深入研究 。今后应在 F述方面做进 一 步的工作：应用现代结构动力学建模技术 和模型简化方法 ，建立高精度、高效率 的扭振 分析模型。完整地揭示传动系扭振的固有模 态特性 、激励特性和响应特性 ，进一步探索传 动系扭振引起车内噪声和振动的机理 ．研究 综合控制措施 ，完善各种减振元件的设 汁方 法 。 参考文献 1 Suzuki Y．Analy s of Vibrational Problems on Four Link Rear Suspe nsion Coupled with Power Plant and Drivet~iain．自动车技术，1969，2 2 Chlkamori S and Yoshihawa N ．No诘e and V】btation of Drive Train．JSAE Review，Nov．】980 3 Sahai T ．Theoretical and Experimental Anal~ is of Ra~ ng Noise of Automotive Gearbox．SAE 810773 4 W ilson W K．Practical Solution of Torsional Vibra~on Problems．Vol t 5，chapman ＆ Hall， London．1956～ 】969 5 莸原文 =．大型车辆传动 系异常声音及对策．车 辆振动与噪声译文集。1986，10 6 冯振束等．EQ2D柴油车变速器怠速噪声的研究． 汽车工程，1989．2 7 冯振东等．离台器从动盘扭转特性对变速器怠速 噪声影响的研究．汽车技术，l 989，9 8 Rivin E E and W u R N．A N~veI Oancept of Pc~,er Tran~mi．~ion Gear Design．SAE 871646 9 吕振华等．结{匈固有振 动特性设计的最优动力学 修改原理．汽车工程，i991，Vo|l3 N．3 1 0 方传流等．汽车动力传动 系扭 振的固有特性和 结 构修 改控 制措 施 分 析．汽 车 工 程．j992， Vol 1 4 1 1 藏德沛．阻尼减振降噪声技术．西安：西安交通 大学出版社．1986． (责任编辑 洪 南) (上接第33页j 本文的热疲劳试验是在快速加热和快速 冷却及热循环温差很大的条件下进行的。在 如此恶劣的服役条件下．试样的轴 向和径向 产生极为陡峭的温度梯度 ，试样表层承受很 大的热应力，以致使作为热疲劳龟裂驱动力 的热应力，在热疲劳过程中起着支配作用。而 强韧性则处于相对次要的地位 因此。虽然 RT一3的强韧性比RT一1低 。但由于 RT一3的蠕 化率比 RT—l高得多，即前者的弹性模量 比 后者低得多。而导热性又高得多，从而抵消 _『 强韧性 下降对热疲 劳抗 力的不利影 响，故 RT一3的热疲劳抗力仍高于 RT 1。 三、结 论 在快速加热和r陕速冷却以及热循环温差 4 很大的服役条件下 ，当强韧性相近时。提高蠕 化率可提高蠕铁的热疲劳抗力；当蠕化率相 近时。蠕铁的强韧性下降，会导致热疲劳抗力 降低 ；蠕铁的蠕化率大幅度提高，尽管其强韧 性有所下降，但仍可使热疲劳抗力得到较 大 提高。 参考文献 l 哈尔滨科技大学、第一汽车制造 厂．蠕墨铸铁汽 车制动鼓的试验研究 1985．4 2 冯均 一等．安徽工学院学报 。1988(2)：45～50 3 李熙章等．安徽工学院学报，I 988(2)：1 01～1 07 4 Nor~ttern L A etai．Met．Technology．8，1O(1981) 376 5 黄惠 桧等．蠕罨 铸铁 北 京：清 华大 学 出 版社 ， 1982． 6 K Roehrig．AFS Transactions 1978，86：75~ 88 (责任编辑 凌 波) 汽 车 技 术 维普资讯 http://www.cqvip.com