敲击与啸叫

变速器是汽车传动系统的重要组成部分，变速器的振动和噪音会直接影响到汽车整体的工作性能和舒适度。提到变速箱异响，通常会想到齿轮敲击与啸叫，二者均属于结构产生的噪声，但其发生的机理又不相同。接下来将分别进行简单介绍。

一、齿轮敲击(Rattle)

齿轮敲击噪声的根源为齿轮的主动和从动齿面交替碰撞，其敲击过程为多自由度系统受阶跃激励后的响应过程。经常发生于低档、低转速和怠速工况。下面将从基本现象和机理研究两方面进行阐述：

1、基本现象

齿轮敲击噪声为变速箱外部输入扭振导致的宽频随机噪声，并通过特定传递路径传递至车内，使得车内声压级、声振粗糙度等指标恶化。典型云图如图1所示。

图1 典型敲击噪声的坎贝尔图

敲击通常发生在非承载齿轮对和换挡组件（如同步环和滑套等）上，产生卡啦声或咯噔咯噔声，车内表现为连续或断续的“哗啦”声。

敲击响应的频率范围通常在500Hz~4000Hz。

2、机理研究

首先，变速箱齿轮敲击噪声产生的常见根源，是从发动机通过飞轮、离合器等传递至变速箱齿轮传动系统的扭转振动。发动机的有限个缸数导致了发动机转速和输出扭矩的波动，如图2所示。

图2 发动机输出扭矩波动变化

其次，由于变速箱内的齿轮副不会同时全部参与啮合传动，对于不参与啮合传动的非承载齿轮（或其他组件，如同步器等），当输入轴转速存在波动时，其转速也会随之波动；而由于齿轮副之间通常都会存在背隙（如图3所示），所以非承载齿轮副的被动齿轮转速并没有同时变化，这样就和主动齿轮之间产生了转速差，导致两齿轮发生碰撞，从而产生敲击噪声。

图3 齿轮背隙示意图

最后，还需要说明两点：

第一，除了扭振激励源和齿轮背隙外，齿轮敲击问题还与离合器扭转减振、变速箱的敲击敏感度、整车传递路径、齿轮惯量和材料以及机油粘度和齿轮参数等因素有关；

第二，特殊情况下，传动系统的扭转共振也会引起齿轮敲击，成为敲击噪声的激励源。

二、啸叫(Whine)

啸叫是另一种完全不同的噪声体验，相较于敲击的宽频，啸叫是一种纯音。人们对这种纯音往往比较敏感，而且主观感受很不好。下面也将从基本现象和机理研究两方面进行阐述：

1、基本现象

与敲击不同，啸叫是承载齿轮副在动态传递误差激励下，产生的一种具有阶次特征的噪声。典型云图如图4所示。

图4 典型啸叫噪声的坎贝尔图

啸叫主要发生在车辆加速和滑行过程中，通常采用优化齿轮宏观参数、齿轮微观修形、提高加工精度及装配精度等方式进行控制。

一般情况下啸叫阶次的声压值并不会很高，只不过由于啸叫阶次很纯净，而阶次周边背景噪音相对较低，基本没有掩盖效应，所以啸叫就会显得比较突出。

2、机理研究

首先，与敲击不同，啸叫的源头是传动系统内的承载齿轮。

其次，由于实际工程中不存在具有完全刚性、均匀间隔、完美渐开线齿的齿轮对（能够输出绝对均匀的角速度），主从动齿轮之间都会存在传递误差(TE: Transmission Error)，如图5所示。

图5 传递误差示意图

Note：传递误差定义为：给定任意的主动齿位置，被动齿的实际位置和理想位置之间的误差。造成传递误差的因素主要有几何外形误差（如制造/安装误差），变形（如啮合刚度变化，轴/轴承的变形）等。

需要说明的是：

齿轮啸叫虽然是从壳体发出的噪声，或由壳体传递、从其他部件发出的噪声。但啸叫不应该仅被视为齿轮问题，而是由齿轮激励的系统问题。