低噪聲變速器的開發(fā)

陳金柱，許國(guó)界

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

低噪聲變速器的開發(fā)

陳金柱，許國(guó)界

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

開發(fā)變速器時(shí)，降低噪聲是一個(gè)重要的目標(biāo)。在法定的加速階段車外噪聲級(jí)方面，除了發(fā)動(dòng)機(jī)（包括進(jìn)排氣系統(tǒng)）和輪胎外，僅在商用車中，變速器是一個(gè)重要的噪聲源。本文從變速器噪聲及起因出發(fā)，分析噪聲是怎么達(dá)到耳朵的，探討噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及如何降低變速器噪聲。

變速器；低噪聲；評(píng)價(jià)；對(duì)策

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.010

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)11-25-03

前言

開發(fā)變速器時(shí)，降低噪聲是一個(gè)重要的目標(biāo)。汽車噪聲不僅會(huì)損害駕駛?cè)撕统丝偷氖孢m和健康，而且還會(huì)使周圍環(huán)境承受交通噪聲之苦。在法定的加速階段車外噪聲級(jí)方面，除了發(fā)動(dòng)機(jī)（包括進(jìn)排氣系統(tǒng)）和輪胎外，僅在商用車中，變速器是一個(gè)重要的噪聲源。有關(guān)其他車內(nèi)噪聲源的降噪措施已經(jīng)證明獲得了成功，因此降低變速器噪聲的壓力越來越大。一般由于變速器噪聲的特定品質(zhì)，使它與車內(nèi)其他噪聲源區(qū)分開來，這種壓力不是變速器的絕對(duì)噪聲級(jí)的大小。因?yàn)橛行┳兯倨髟肼曋挥性谀承┕ぷ鳁l件下才可以聽到，所以某些變速器噪聲現(xiàn)象本身不會(huì)構(gòu)成一個(gè)太強(qiáng)大的噪聲污染源。但是，這些噪聲常常會(huì)導(dǎo)致客戶抱怨，因?yàn)橛脩魰?huì)（錯(cuò)誤地）認(rèn)為汽車發(fā)生故障。在尋求降低變速器噪聲的時(shí)候，僅僅改進(jìn)變速器本身是不夠的，正如所有的汽車噪聲問題一樣，對(duì)涉及傳遞和輻射噪聲的車身和其他零部件都必須加以考慮。

1、變速器噪聲及起因

1.1嗚嗚聲

在載荷作用（傳遞功率）的情況下，齒輪對(duì)的滾動(dòng)接觸噪聲被稱為嗚嗚聲（嘯叫、振鳴聲或嗡嗡聲）。這種運(yùn)行噪音有若干起因：

1）嚙合沖擊。嚙合沖擊是齒距誤差或像軸與齒輪之間的同心度這樣的幾何誤差以及在載荷作用下由于齒輪、軸或外殼的變形而引起的偏離齒輪定律的偏差共同作用的結(jié)果。然而，為避免這些嚙合沖擊而所進(jìn)行的齒廓較正僅僅對(duì)某一載荷范圍才會(huì)有效。

2）參數(shù)激發(fā)振動(dòng)。參數(shù)激發(fā)振動(dòng)的起因是輪齒剛性隨嚙合位置而變化。這種振動(dòng)的大小取決于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何形狀和轉(zhuǎn)速。如果激勵(lì)頻率（轉(zhuǎn)速乘以齒數(shù)和諧波）接近于齒輪對(duì)的自振頻率，共振便會(huì)產(chǎn)生特別大的振幅，因而也會(huì)產(chǎn)生特別大的噪聲。即使在齒輪輪齒非常精準(zhǔn)的情況下，也會(huì)出現(xiàn)這樣的振動(dòng)。

3）滾動(dòng)接觸噪聲。表面質(zhì)量不高會(huì)產(chǎn)生“搓衣板效應(yīng)”，從而導(dǎo)致滾動(dòng)接觸噪聲。即使在滿足公差要求的情況下，如果生產(chǎn)過程中形成的某些齒側(cè)表面結(jié)構(gòu)引起了振動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)噪聲。

1.2咔啦聲/咯噔咯噔聲

無載荷時(shí)，齒輪和換擋元件在容許的功能限值和生產(chǎn)限值內(nèi)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生咔啦聲和咯噔咯噔聲，這些響聲是由變速器軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的。如果扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅超過一定值后，目前尚未嚙合的空套齒輪輪齒將會(huì)離開輪齒驅(qū)動(dòng)側(cè)，并在齒隙范圍內(nèi)來回振動(dòng)。這種振動(dòng)的振幅取決于該空套齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻力距和引起激勵(lì)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加速度的大小。受到激勵(lì)作用后，同步器鎖環(huán)和滑動(dòng)接合套也會(huì)在它們的間隙范圍內(nèi)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。松動(dòng)的零件在遇到間隙極限的情況時(shí)出現(xiàn)撞擊時(shí)這種噪聲的真正起因。

1.3哐當(dāng)聲

除了作為對(duì)載荷突變的一種反應(yīng)的低頻縱向沖擊聲（約2～8Hz）外，還會(huì)出現(xiàn)叫做“哐當(dāng)聲”的高頻金屬響聲。在工作的零件的側(cè)面相互敲擊就會(huì)出現(xiàn)這種聲響。進(jìn)行噪聲分析時(shí)，必須從飛輪到輪邊減速器的整個(gè)傳動(dòng)系進(jìn)行考慮。

1.4換擋噪聲

如果同步器不能正常起作用，換擋時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯的嚙合噪聲。這種噪聲可能起因包括：同軸度偏差、齒距誤差、齒廓異常和駕駛?cè)说膿Q擋風(fēng)格等。

1.5軸承噪聲

軸承噪聲通常很難察覺。這種噪聲僅僅在滾動(dòng)軸承裝配過緊或損壞時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，但隨著損壞程度的增加，噪聲迅速增加。

2、噪聲是怎樣到達(dá)耳朵的

齒輪齒面是主要的噪聲源。這種噪聲的聲級(jí)和特點(diǎn)以多種不同的方式受到傳遞至人耳所經(jīng)過的路徑的影響。

在正常密封的變速器內(nèi)所產(chǎn)生的高聲級(jí)空氣傳播的噪聲不會(huì)在變速器外面形成高聲級(jí)噪聲，這是因?yàn)樗鼪]有足夠的能量來激勵(lì)變速器外殼產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。齒輪體的振動(dòng)作為結(jié)構(gòu)傳播的噪聲被傳遞給變速器軸——在固定齒輪的情況下為直接傳遞，而在空套齒輪的情況下，經(jīng)過各自的軸承傳遞。輸入軸和輸出軸將振動(dòng)傳到變速器之外。當(dāng)然，這種振動(dòng)大部經(jīng)過變速器軸的軸承傳給變速器外殼。特別是軸的彎曲振動(dòng)會(huì)對(duì)外殼產(chǎn)生激勵(lì)作用。

如果激勵(lì)頻率接近外殼的自然振動(dòng)頻率，振動(dòng)會(huì)得到進(jìn)一步放大，因而產(chǎn)生高的噪聲級(jí)。變速器殼輻射噪聲中的一部分為空氣傳播的噪聲，其余作為結(jié)構(gòu)傳播的噪聲，通過變速器支座傳給車身。在從變速器經(jīng)過傳動(dòng)軸到車身的結(jié)構(gòu)傳播噪聲的傳遞中，傳動(dòng)軸起到了重要的作用。正因?yàn)榇耍谌魏卧肼晜鞑ヂ窂椒治鲋?，不?yīng)該將它們忽略不計(jì)。

3、噪音評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在評(píng)價(jià)變速器噪聲過程中，駕駛?cè)恕⒊丝秃蛙囃馊藢?duì)這種噪聲的主觀感覺極為重要。

在一輛汽車正處在開發(fā)中時(shí)，常常通過訓(xùn)練有素的測(cè)試駕駛?cè)藢?duì)特定的噪聲現(xiàn)象進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。常用的一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是“ATZ評(píng)價(jià)”。評(píng)價(jià)小組必須對(duì)他們的評(píng)級(jí)進(jìn)行反復(fù)比較，以確保進(jìn)行始終如一的合理評(píng)價(jià)。

表1　ATZ 變速器噪聲評(píng)價(jià)表

然而，僅靠客觀評(píng)判對(duì)詳細(xì)分析噪聲的起因是不夠的。為了對(duì)變速器的開發(fā)措施進(jìn)行評(píng)價(jià)和精確的比較，需要有主觀數(shù)據(jù)。通常使用噪聲和振動(dòng)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)既可以在工作條件下測(cè)得，也可以使用合成激勵(lì)的方法測(cè)得。依據(jù)激勵(lì)和探測(cè)，可以用模態(tài)分析，工作振動(dòng)或傳播路徑分析等方式，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，這樣便可提供有價(jià)值的信息。

4、對(duì)策

顯然，有效地降低現(xiàn)有變速器的噪聲排放比較困難且比較昂貴，所以，在新型變速器的開發(fā)過程中，必須從規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段對(duì)“低噪聲變速器”這一開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行全面考慮。對(duì)于限制噪聲產(chǎn)生的主動(dòng)降噪措施和限制噪聲傳播的被動(dòng)降噪措施要加以區(qū)別。

主動(dòng)降噪措施有時(shí)只能影響某一特定類型的振動(dòng)。降低傳遞功率的齒輪對(duì)的振動(dòng)的主動(dòng)降噪措施會(huì)對(duì)傳動(dòng)齒輪的幾何形狀和生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生影響。大的橫向接觸比和重疊比（高接觸齒輪和斜齒輪）會(huì)減小因此而導(dǎo)致的輪齒剛性不一致性，并減小嚙合沖擊。

為了減輕由于載荷和因此而產(chǎn)生的變形所導(dǎo)致的嚙合干涉，首先要進(jìn)行齒廓矯正（修緣、橫向中間增厚），其次是盡可能地提高齒輪體、軸、軸承和殼體的剛度，并使他們的自振頻率分散開，以防出現(xiàn)過大的動(dòng)態(tài)變形。輪齒加工質(zhì)量是導(dǎo)致滾動(dòng)接觸噪聲的一個(gè)主要因素。變速器的運(yùn)行轉(zhuǎn)速對(duì)于有載荷作用的齒輪所輻射的噪音具有很大的影響，而載荷本身沒有過大的影響。但是這些參數(shù)通常都不可以改變。

松動(dòng)零件的振動(dòng)程度受變速器本身的三個(gè)參數(shù)的影響。齒隙和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡可能小，而作用于各個(gè)松動(dòng)零件上的阻力距應(yīng)盡可能的大。由于存在許多功能上的抱怨，像低環(huán)境溫度下的變速器功能、高效率等等，因此，很少有降噪的潛力。如果相應(yīng)降低變速器軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅，可大幅度降低卡啦聲和咯噔咯噔聲。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)被解耦，將可為降低噪聲創(chuàng)造極大的空間。

降低變速器噪聲的被動(dòng)措施，尤其與齒輪輪齒經(jīng)過軸傳給外殼的結(jié)構(gòu)傳播噪聲的傳遞相關(guān)。對(duì)于高頻振動(dòng)而言，在載荷作用下，如果不存在任何不可接受的變形的情況下，應(yīng)該將一個(gè)盡可能軟的隔離元件（橡膠塊）用作低通濾波器。變速器殼的結(jié)構(gòu)特別重要。必須避免變速器壁面上出現(xiàn)的噪聲強(qiáng)烈型振動(dòng)。采用提高剛度的措施時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮這樣的事實(shí)：采用外部加強(qiáng)筋雖然制造成本低，但是卻增加了噪聲輻射表面。變速器殼體的材料對(duì)于噪聲輻射也會(huì)產(chǎn)生重大影響。今天經(jīng)常使用的輕合金的吸振特性比鑄鐵差得多。

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Developing low-noise transmission

Chen Jinzhu, Xu Guojie
( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Xi’an 710064 Shaanxi China)

Noise reduction is an important objective when developing vehicles. With respect to statutory exterior noise levels for accelerated passage, the transmission is, besides the engine (including intake and exhaust systems) and tyres, a significant source of noise only in the case of commercial vehicles. In this paper, starting from transmission noise and its causes, analysis how noise reaches the ear, discuss the assessment criteria of transmission noise and how to reduce transmission noise.

transmission; low noise; assessment; countermeasure

U463.2

A

1671-7988(2016)11-25-03

陳金柱（1985.2），男，工學(xué)碩士，工程師，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，主要從事機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)工作。