10.2 变速器NVH来源与消除
变速器的主要振动源来自齿轮的相互作用，其基本振动公式为
式中，M代表部件质量，R代表齿轮啮合阻尼系数，H代表啮合点在切线上的相对位移，k代表齿轮刚度，E1是由于弹性形变所产生位移偏差，E2是由于其他原因（失效、齿轮误差）导致的偏移。
另一个振源是轴系的回转。对于转动的物体，随着转速不断提高，振动幅值也会相应加大。但到达一个峰值时，再增加转速，轴系的回转频率就会随之减小。这个峰值频率又叫固有频率或共振频率，与材料刚度支撑质量等因素有关。
噪声的形成需要3个元素：声源（一般是振动源）、传播介质（可以是空气、液体的辐射传播，或汽车连接部件的接触性传播）、噪声的接受者（人）。消除噪声也相应地有3种不同的方法。
1）消除振动源。这种方法可以从根本上消除噪声，减少振动，是最理想的方法。但同时又是最难实现的方法。如果能采用新技术消除发动机的振动，汽车上绝大部分的噪声就可以消除了。但发动机本身是靠气缸中油气混合物燃烧爆发产生动力，消除振动实际上不可能，只能尽量减少发动机不必要的振动。
2）改变传播途径。这是一个相对实用而又高效的方法。噪声传播有辐射传播和接触性传播之分，对于辐射性的噪声，可对振动源进行有效包裹，使噪声无法传播出去。对于接触型噪声，最有效的方法就是截断接触路径。经验数据显示，对于普通乘用车，接触传播的噪声频率在800Hz左右而辐射传播的噪声频率可以高于1200Hz。
3）让噪声接受者自我调整。这种方法对于人没有实用性，但是对于子系统是可行的。比如，噪声源是齿轮系，传递路径是变速器体，接受者是与发动机连接部件。可以通过调整接受部件的位置、形状、连接方式等改变噪声强度。
除了变速器齿轮系外，变速器的外壳也可以传递噪声。外壳本身可以通过接触传播传递内部产生的振动，同时外壳表面、连接端、后盖等都可以通过辐射传播噪声。有效减少振动噪声可以提高动力总成的整体强度，不仅可以降低振动等级，还有利于降低加工难度。乘用车的动力总成固有频率一般在500Hz左右，最主要的振动源是发动机。
为降低变速器的振动和噪声，在设计开发阶段首先确认可能受影响的需求内容，比如安装位置空间、轴、齿和外壳的最大弯折幅度等。然后制定整体目标，比如优化变速器固有频率，建立有限元模型，并设定强制性输入进行模型受力分析。分析得出系统固有频率特性，最后依据结果进行设计改进和模型改进。具体流程如图10-3所示。
图10-3 变速器振动噪声优化设计流程
变速器和发动机的匹配直接影响动力总成系统的固有频率。在设计时候，将其固有频率和汽车的激振频率调整的尽量不同。通常，将最低固有频率设置成高于最大驱动频率的1.2倍。这20%是安全余量用来保护系统。不同发动机所选用的频率也不相同。对于直列四缸发动机，需要将固频设计的足够高以便惯量平衡不会被二阶基频激励。对于V型六缸发动机也需考虑二阶基频，而八缸发动机则需考虑1.5倍基频激励的情况。
决定动力总成固有频率的一个重要因素是其组成结构。发动机和变速器的连接构成主要有3种情况：
1）后驱连接（图10-4）。驱动轴最长，动力总成也最长，因此有较低的固有频率。通常这种结构会比前驱系统有更多传递噪声的路径。辐射性噪声主要集中在仪表板之前以及变速器和传动轴的通道间；而接触性噪声主要来自于安装支点、汽车结构、差速器支点和后部减振系统。
图10-4 发动机变速器前置后驱的连接方式
2）前驱连接（图10-5）。除了图中“折叠”的安装构架，还有另外一种短轴连接方法，这种结构的固有频率较高。放射性噪声主要集中在仪表板之前（前端动力总成部分），而接触性噪声主要来自于安装支点、轴系和汽车结构。(https://www.daowen.com)
图10-5 发动机变速器前置前驱的连接方式
3）四驱连接（图10-6）。和后驱的系统一样，有着最长的传动轴和动力总成，同时还有传动轴与前轮连接。在上述3种结构中，这种结构的固有频率最低。四驱系统的噪声集合了前两种结构的噪声构成，是设计开发中最有挑战性的一种结构。
图10-6 发动机变速器四驱的连接方式
除了上述3种结构，还有一种并不常见的PowerCube结构，是轮端轴系紧密设计（和发动机端轴系设计不同）的结果。它将发动机和变速器紧密的设计在一起，通常拥有共同的外壳，其固有频率最高。
有几个地方是在设计变速器的NVH特征时需要重点关注的：第一，变速器本体和前端的液力变矩器连接处；第二，变速器本体和油底壳连接处；第三，变速器前段壳体和发动机连接部分；第四，变速器和底盘连接处。基本设计完成后，将变速器系统的噪声振动进一步的分析并求得解决方案。由于前期实验室测试（如半消声室）所能解决的问题非常有限，而噪声和振动又很难测试和量化，所以，解决变速器的NVH问题应该从整车需求开始，对可听到的噪声、可能的噪声源以、可感触的噪声振动及其传播途径加以限制，进一步分解到动力总成、变速器，最终到达各部件。系统的整个设计开发过程中，整个系统都要进行NVH的相关分析和设计，才能最终保障整车的噪声以及振动水平在许可范围之内，从而满足客户需求。汽车振动噪声的设计开发流程示意图如图10-7所示。
图10-7 汽车振动噪声的设计开发流程示意图
整车级的噪声分为可听到的噪声和潜在噪声（可感触的振动）两部分。可感触噪声部分主要针对系统的动态变化过程，比如换档过程；可听到的噪声则主要是对相对静态过程而言，它是整个系统设计的主要针对目标和对象。
针对动力总成的噪声分析需要在其满足具体需求的前提下，同时对可能的工作状态进行分析，分析应包含发动机、变速器和减速器/差速器等部件。动力总成的安装结构和尺寸应保证组成的部件都能被独立测量。
变速器方面的需求主要针对宽带振动与噪声和窄带振动与噪声的分析。所谓宽带噪声指的是对噪声的响度在一个宽泛的频率范围内进行测量，比如背景噪声就是宽带噪声。而窄带噪声是在一定频谱波段内对噪声的测量，它依据不同车型和客户的不同需求，比如豪华商务车和越野车的声音特征在客户看来是不一样的。变速器的噪声主要来自链条啮合的噪声（对有传动链的变速器来说）、齿轮啮合的噪声、油泵的噪声、离合器的噪声和液力变矩器的噪声，主要通过接触传播。
对于链条啮合的噪声，主要来源于链条和链轮齿啮合时产生的作用力，消除链条噪声可以使用细间距链和齿（0.375in或更细），或采用可降低噪声的锁相链条、优化链路配置、减小链条变化、减小链轮齿支撑挂件的尺寸和应用电控链轮齿对齐技术。
油泵产生的噪声主要包括：液体在压力作用下流入或流出液压通道产生的噪声，油泵机械部分相互接触（叶片或齿）产生的噪声，液体中气泡造成的噪声。设计时避免采用大叶片泵，应用小噪声泵比如新月形齿轮泵。如果选用叶片泵，叶片多且为奇数的泵可以减少噪声。对于流入或流出泵的导槽，设计时尽量选用直线，以减少压力的突变。
齿轮噪声的产生机理比较复杂，主要由齿与齿啮合时的冲击力和齿轮系的结构所决定。转矩在齿轮上的传递时，由于匹配的齿轮对是有偏差的，转矩传递就会产生波动，进而在齿轮啮合时出现基频和倍频的激励，对轴系产生上下左右和前后的振动。这些转矩波动产生的主要原因包括：齿本身的形状不一致，齿和齿间距离有变化，制造产生的不一致性，啮合强度的变化（不同时间，有不同数量的齿发生啮合），齿在不同负载下产生的弹性形变的不一致性，齿轮轴系的错位，齿轮本身的缺陷，摩擦力变化，油或空气的附着和斜齿的纵向力的变化等。在变速器齿轮系的设计开发中，上述问题应该得到重视。
变速器轴承也是产生噪声的源头之一，滚动部件的噪声一般都是表面处理得不够好而产生的。装配过程也是一个原因，因为负载的不对称同样会使轴承产生噪声。这种噪声一般是高频的，而且较难确认。