某雙離合變速器油泵齒輪嚙合間隙過小產(chǎn)生噪聲的原因分析與改進(jìn)研究

羅歡

（重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 402760）

0 引言

試驗(yàn)結(jié)果表明，在自動(dòng)變速器中，油泵是主要的噪聲源，大約有70%的振動(dòng)和噪聲來(lái)源于齒輪泵。內(nèi)嚙合齒輪泵作為自動(dòng)變速器的重要零部件之一，其噪聲的大小直接影響變速器的性能，噪聲過大會(huì)給駕駛者帶來(lái)不舒服的感受。振動(dòng)和噪聲不僅有害于人們的身心健康，同時(shí)降低了齒輪泵的平穩(wěn)性和壽命[1]。

內(nèi)嚙合齒輪運(yùn)行中的噪聲主要為機(jī)械噪聲，噪聲主要來(lái)源兩個(gè)方面。一是組成油泵系統(tǒng)各個(gè)子零件制造精度不夠，如齒形輪廓度較差、齒輪表面粗糙度值不高、安裝時(shí)軸線不平行或裝配零件的位置精度差等，均會(huì)造成較強(qiáng)的噪聲[2]。二是嚙合時(shí)的間隙過大。在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪之間通過安裝一塊月牙板把吸油腔和壓油腔隔開。齒輪運(yùn)行中，當(dāng)齒頂間隙過大時(shí)，其嚙合傳動(dòng)不是連續(xù)的，每齒嚙合有短暫的沖擊。

1 齒輪嚙合間隙過大產(chǎn)生的嚙合機(jī)械噪聲分析

某公司生產(chǎn)的一款DCT 自動(dòng)變速器油泵剛剛進(jìn)入批量生產(chǎn)，在客戶變速器磨合測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)油泵存在異響噪聲，不合格比例最高達(dá)10%，累計(jì)已發(fā)現(xiàn)多套噪聲不合格油泵總成。對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的大批量生產(chǎn)影響很大，解決油泵異響噪聲問題成為項(xiàng)目組現(xiàn)階段最為緊急的工作。

1.1 噪聲分析

項(xiàng)目組通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，油泵總成在轉(zhuǎn)速1 500 r/min，油壓在200 kPa 左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“咔咔”的聲音。重新對(duì)油泵進(jìn)行性能試驗(yàn)，異響仍然存在。取3 套異響油泵，和對(duì)標(biāo)油泵（SHW）一起采用噪聲分析儀進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)比在35 ℃和80 ℃時(shí)，油泵在800～1 200 r/min 及2 000～2 500 r/min 的聲壓與轉(zhuǎn)速曲線。試驗(yàn)條件如下。

（1）油泵轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，溫度為30 ℃，負(fù)載為600 kPa，運(yùn)行10 min。

（2）急加速工況：轉(zhuǎn)速在1 min 內(nèi)（盡量在10 s 內(nèi)完成）從750 r/min 加速到3 000 r/min。

（3）油泵轉(zhuǎn)速維持在800～1 200 r/min，油泵出口壓力2×103kPa。

（4）油泵轉(zhuǎn)速維持在1 200～2 500 r/min，油泵出口壓力2×103kPa。

（5）各油泵總成在1 200～2 500 r/min，每隔50 r/min 取點(diǎn)測(cè)量的穩(wěn)態(tài)噪聲。

試驗(yàn)結(jié)果如圖1 和圖2 所示。通過對(duì)上述穩(wěn)態(tài)噪聲結(jié)果分析，異響件油泵和對(duì)標(biāo)件油泵在800～1 200 r/min 的低轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲水平無(wú)明顯區(qū)別。在1 200～2 500 r/min 的轉(zhuǎn)速時(shí)，有2件異響件油泵的噪聲略大于對(duì)標(biāo)件油泵，同時(shí)對(duì)標(biāo)件油泵的噪聲曲線波動(dòng)最小。

圖1 35 ℃時(shí)的聲壓與轉(zhuǎn)速曲線

圖2 油泵在80 ℃時(shí)聲壓與轉(zhuǎn)速曲線

1.2 油泵在急加速測(cè)時(shí)的階次分析

檢測(cè)油泵在急加速測(cè)時(shí)的階次分析，如圖3～圖5 所示。通過對(duì)急加速工況的噪聲頻譜分析可以看出，異響油泵的噪聲在低頻時(shí)與對(duì)標(biāo)件油泵相當(dāng)，在高頻時(shí)略高于對(duì)標(biāo)件油泵。從輸入軸的1 階、2 階和3 階噪聲來(lái)看，4 件油泵由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的噪聲趨勢(shì)一致，聲壓值交替變換。通過試驗(yàn)可以判定，油泵產(chǎn)生異響不是來(lái)自轉(zhuǎn)子嚙合發(fā)出的直接噪聲。

圖3 各油泵輸入軸1 次噪聲對(duì)比

圖4 各油泵輸入軸2 次噪聲對(duì)比

圖5 各油泵輸入軸3 階次噪聲對(duì)比

1.3 拆解分析

（1）拆解異響油泵和無(wú)異響油泵各3 件，觀察內(nèi)外轉(zhuǎn)子表面是否存在異常。經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)表面存在異常。

（2）拆解異響油泵和無(wú)異響油泵，分別檢測(cè)油泵內(nèi)、外轉(zhuǎn)子與內(nèi)、外月牙板的間隙。經(jīng)檢測(cè)，異響油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒頂與內(nèi)外月牙板間隙在0.020 mm 左右，無(wú)異響的油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒頂與內(nèi)外月牙板間隙在0.025 mm 左右（圖6）。

圖6 內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙齒頂間隙檢測(cè)方法

（3）對(duì)異響和無(wú)異響的油泵總成相互更換內(nèi)外轉(zhuǎn)子后再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，裝配了異響油泵轉(zhuǎn)子的無(wú)異響油泵體依然存在異響。相反，裝配了無(wú)異響油泵轉(zhuǎn)子的異響油泵體依然無(wú)異響。

根據(jù)尺寸檢測(cè)和互換轉(zhuǎn)子驗(yàn)證結(jié)果，項(xiàng)目組初步鎖定油泵總成異響的主要影響因素為內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板之間的間隙。某個(gè)齒頂與月牙板間隙小于0.020 mm 的轉(zhuǎn)子異響概率最大。

1.4 內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙導(dǎo)致噪聲的原因分析

（1）內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒頂圓直徑波動(dòng)較大，導(dǎo)致與內(nèi)外月牙板之間的間隙波動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致異響的產(chǎn)生。

（2）油泵體內(nèi)外月牙板面輪廓度雖然滿足公差要求，但波動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致異響的產(chǎn)生。

（3）油泵體轉(zhuǎn)子孔直徑公差過大，導(dǎo)致油泵體與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的間隙波動(dòng)過大，可能會(huì)導(dǎo)致異響的產(chǎn)生。

（4）油泵體襯套直徑較小，內(nèi)轉(zhuǎn)子與油泵體襯套之間間隙過大，導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子在性能試驗(yàn)過程中側(cè)面擺動(dòng)過大，可能會(huì)導(dǎo)致齒頂間隙波動(dòng)過大，可能會(huì)導(dǎo)致異響的產(chǎn)生。

2 制定試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃

項(xiàng)目組決定針對(duì)上述原因，通過制作加大內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙、減小油泵體轉(zhuǎn)子孔直徑公差以及加大油泵體襯套外圓直徑3 種技術(shù)狀態(tài)油泵，每個(gè)狀態(tài)裝配50 套油泵總成進(jìn)行異響驗(yàn)證。驗(yàn)證目的是測(cè)試能否解決或降低異響發(fā)生的概率。試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 加大內(nèi)外轉(zhuǎn)子與月牙板間隙試驗(yàn)

將內(nèi)外轉(zhuǎn)子與月牙板間隙加大到0.030～0.080 mm，裝配50 套油泵總成進(jìn)行磨合試驗(yàn)。結(jié)果油泵異響依然存在，但數(shù)量比例下降到6%。有3 套油泵總成存在異響，同時(shí)出現(xiàn)了流量不合格的新問題；有5 套油泵總成流量小于10 L，比例為10%。

2.2 減小油泵體轉(zhuǎn)子孔直徑公差試驗(yàn)

將油泵體轉(zhuǎn)子孔直徑公差由φ70.000 mm（0，+0.030 mm）縮小到φ70.000 mm（0，+0.020 mm），減少外轉(zhuǎn)子徑向竄動(dòng)量，裝配50 套油泵總成進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)ズ向?yàn)證。結(jié)果50 套油泵總成中有4 套油泵總成存在異響，異響比例8%左右。

2.3 加大油泵體襯套外圓直徑試驗(yàn)

通過將油泵體襯套外徑加大0.005 mm，裝配50 套油泵總成進(jìn)行異響試驗(yàn)?zāi)ズ向?yàn)證。結(jié)果50 套油泵總成中有5 套油泵總成存在異響，異響比例10%左右。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論

（1）加大內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙后，油泵異響發(fā)生的比例由10%降低到了6%，改善有效率達(dá)40%，說明內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙調(diào)整對(duì)異響降低有顯著的影響。但還有3 套油泵總成還存在異響，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，3 套異響油泵的某個(gè)外轉(zhuǎn)子齒頂與月牙板間隙小于0.030 mm，無(wú)異響的間隙都大于0.030 mm。說明外轉(zhuǎn)子齒頂徑還存在波動(dòng)較大的現(xiàn)象，針對(duì)外轉(zhuǎn)子與外月牙板間隙調(diào)整還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

（2）加大內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙后，有5 套油泵總成流量小于10 L，說明加大間隙對(duì)流量有影響，但異響比例明顯降低。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，異響油泵的部分外轉(zhuǎn)子齒頂與月牙板間隙大于0.080 mm，需要進(jìn)一步減小外轉(zhuǎn)子齒頂與外月牙的間隙。

（3）加大油泵體襯套直徑后依然存在異響，此項(xiàng)改進(jìn)工作無(wú)效果。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目組將內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙控制在0.030～0.060 mm 再進(jìn)行檢測(cè)（圖6），檢測(cè)時(shí)將轉(zhuǎn)子齒頂推/拉向月牙，用塞尺檢測(cè)月牙板中部間隙。驗(yàn)證50 套油泵異響與流量合格情況，結(jié)果無(wú)異響出現(xiàn)。加大樣本量，對(duì)2 000套油泵進(jìn)行噪聲測(cè)試，油泵總成異響不合格數(shù)量為0，合格率100%，證明優(yōu)化內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板間隙的措施有效。

根據(jù)前后2 次改進(jìn)的噪聲試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，以及后續(xù)3 萬(wàn)套油泵總成的異響情況跟蹤，項(xiàng)目組認(rèn)為，油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外月牙板之間的間隙過小是導(dǎo)致本款DCT 油泵產(chǎn)生異響的根本原因。

3 內(nèi)嚙合齒輪泵降低噪聲的其他控制措施

降低噪聲常用的方法有2 種。一種是被動(dòng)降噪法，即將噪聲源與外界隔離，以阻斷噪聲的傳播；同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙周圍布置吸聲材料，也可以降低噪聲。另一種是主動(dòng)降噪法，即直接消除產(chǎn)生的噪聲或減小噪聲。對(duì)于內(nèi)嚙合齒輪泵來(lái)說，主要采用主動(dòng)降噪法降低噪聲。根據(jù)內(nèi)嚙合齒輪泵噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和實(shí)際試驗(yàn)分析，還可從其他幾方面降低噪聲。

（1）流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)是齒輪泵的固有特性，流量脈動(dòng)是造成壓力脈動(dòng)的根源。齒輪的嚙合參數(shù)影響流量脈動(dòng)系數(shù)，所以合理選擇齒輪參數(shù)可以降低流量脈動(dòng)。

（2）對(duì)于內(nèi)嚙合漸開線齒輪泵，采用變位齒輪能很好地消除輪齒的根切，使工作平穩(wěn)并能顯著降低齒輪泵的噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用變位齒輪制成的齒輪泵與標(biāo)準(zhǔn)齒輪泵在同等條件下相比，噪聲可降低3～4 dB[3]。

（3）在保證齒輪泵內(nèi)部高、低壓腔互不溝通的情況下，通過卸荷槽的合理設(shè)計(jì)，使困油容腔與油道相通，可以達(dá)到部分消除困油現(xiàn)象，從而降低噪聲和振動(dòng)。

（4）理論和實(shí)踐都已證明，提高齒輪的制造精度，特別是工作平穩(wěn)性精度是降低齒輪泵噪聲的一個(gè)重要措施。齒輪泵的噪聲隨著齒輪精度的提高明顯減小[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)同一種齒輪泵，制造精度提高一級(jí)，噪聲可下降4～5 dB[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

如何有效降低齒輪油泵的噪聲是一個(gè)復(fù)雜問題，有機(jī)械安裝不好引起的噪聲，也有流體流速及壓力的突然變化以及吸氣、密封配合等方面的原因產(chǎn)生的噪聲。另外，作為液壓泵的綠色設(shè)計(jì)，如何降噪也是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。只有綜合分析齒輪泵產(chǎn)生噪聲的原因，才能在設(shè)計(jì)和制造過程中采取有效降噪措施，滿足用戶對(duì)齒輪油泵靜音化的要求，拓展齒輪油泵的應(yīng)用空間[6]。