汽車手動變速箱嘯叫的原因分析與改進

張保利

賽瑪特傳動技術(北京)有限公司

汽車手動變速箱嘯叫的原因分析與改進

張保利

賽瑪特傳動技術(北京)有限公司

汽車作為日常便捷的交通工具和重要的工業產品，在人民的生活中和交通運輸領域占有越來越重要的地位。手動變速箱是由齒輪、軸、軸承、同步器、選換擋機構等組成，能夠實現變速箱擋位切換的復雜機械系統。變速箱嘯叫是由于齒輪系統嚙合過程中齒對的傳遞誤差而產生。基于此，文章就汽車手動變速箱嘯叫的原因分析與改進進行簡要的分析。

汽車手動變速箱；嘯叫；原因；改進

1.變速箱嘯叫噪聲的傳遞路徑

根據不同的振動狀態，變速箱異響主要可分為敲擊噪聲(gear rattle)和嘯叫噪聲(gear whine)。而從噪聲對車輛的影響上分析，嘯叫噪聲的影響最大。變速箱嘯叫噪聲，是一種與發動機曲軸轉動頻率和變速箱內轉動齒輪的齒數成倍數關系的旋轉頻率噪聲。

變速箱嘯叫噪聲的傳遞路徑齒輪副運轉階次振動在整車上的傳遞路徑，主要包括空氣傳遞和結構傳遞。空氣傳遞路徑主要包括空氣直接輻射路徑和非直接輻射路徑?？諝庵苯虞椛渎窂绞侵笍凝X輪副間直接向變速器殼體外輻射的噪聲。空氣非直接輻射路徑是指齒輪副階次振動通過齒輪輪副、齒輪軸、軸承、和軸承座孔，傳遞到變速器殼體上的結構振動，進而形成的殼體表面振動形成的空氣輻射。結構傳遞路徑是指齒輪副階次振動通過齒輪副、齒輪軸、軸承和軸承座孔、傳遞到變速器殼體上的結構振動，再通過動力總成懸置或各類拉索(如換擋拉索、離合器拉索和節氣門拉索等)上的結構傳遞。

2.變速箱嘯叫原因分析

傳動誤差，簡而言之就是實際嚙合與理論嚙合的偏差情況。傳動誤差主要是由負載引起的變速箱內部的彈性變形以及加工誤差、裝配誤差等因素所致。一般來說，一對齒輪副的旋轉角傳動誤差TE可以粗略表示為：

TE=t2rb2-t1rb1.

其中：t1和t2分別為輸入軸、輸出軸的角位移所對應的時間；rb1和rb2分別為主動輪、從動輪的基圓半徑。傳動誤差越大，說明傳動過程中，從動輪實際位置與理想位置之間的差距越大，傳動越不平穩，噪聲也相應越大。

Romax軟件可以進行傳動誤差分析，其可靠性已經得到傳動領域的一致認可。為了了解變速箱嘯叫噪聲產生的原因，也進一步證明上述階次分析的正確性，用Romax軟件根據變速箱內部結構及載荷建立齒輪箱模型，對齒輪箱進行傳動誤差動態分析，如果結果顯示齒輪箱前進二檔的傳動誤差大于其他檔位，則說明前進二檔對應的齒輪就是故障源，階次分析的結果正確，同時也說明齒輪箱的噪聲為嘯叫噪聲。

為了確定變速箱嘯叫的原因，將前進二檔和三檔的轉速、載荷信息加載到所建模型，計算得出了二檔齒輪和三檔齒輪的傳動誤差，故階次分析結果正確，齒輪箱嘯叫是由于前進二檔齒輪工作時嚙合力的變化或齒面摩擦等引起的傳動誤差所致，在故障診斷階段應從改善齒輪傳動結構入手。

3.變速箱嘯叫控制機理

變速器嘯叫噪聲是嚴重的汽車質量問題，即使是駕駛經驗不足的用戶也能感覺到嘯叫，嚴重影響汽車的乘坐舒適性。因此，必須消除或者至少降低變速器的嘯叫噪聲。

一個系統的振動或噪聲問題一般采取以下的方法來解決：a： 減小或消除激勵；b 將系統的固有頻率移除到激勵范圍之外；c： 改變或者消除振動傳遞通道；d： 增大結構阻尼從而減小響應幅值。對于變速器的嘯叫噪聲來說，很難通過增大結構阻尼和改變振動傳遞通道的方法解決，而且這種方法成本較高；將系統固有頻率完全移除到激勵頻率范圍之外也是不可能的。所以從各方面綜合考慮，減小或者消除激勵或者將系統的固有頻率和激勵頻率避開這兩種方法是解決變速器嘯叫噪聲最有效可行最實際的辦法。

從以往研究可知，傳遞誤差(Transmission Error)是引起變速箱嘯叫聲的根本的原因。傳遞誤差與齒輪嚙合振動及嘯叫噪聲聲壓級成比例關系。要消除或者減小嘯叫聲，可以從減小傳遞誤差入手。

4.變速箱齒輪傳動系統結構設計改進

4.1 螺旋角的改變對系統固有頻率的影響

在保證五檔檔位傳動比不變的情況下，改變螺旋角，如表1所示：

表1 螺旋角變化表

對螺旋角改變后齒輪系統進行模態分析，并與原始結果進行對比，這里只取后十階，如表2所示：

表2 變速箱齒輪傳動系統固有頻率

從表2可以看出，五檔齒輪的螺旋角改變后，系統固有頻率發生變化，第12階固有頻率由1487Hz變為1484Hz，有效避開了激勵頻率。通過軸承處的動態響應，可以觀察系統固有頻率的變化情況。由于只關注在1487Hz附近系統固有頻率的改變，所以頻率分析段設置為1300Hz-2000Hz。以輸入軸左右軸承為例，軸承處的動態響應變化曲線如圖1、2所示：

圖1、2表示了在螺旋角發生變化時，系統固有頻率以及軸承力幅值的變化。橫坐標代表系統的頻率；縱坐標表示軸承動態載荷的幅值，軸承力發生峰值所對應的的橫坐標即為系統的固有頻率。從圖2、3可以看出，螺旋角改變后，在1487Hz處沒有峰值，即系統的固有頻率發生了變化。

圖1 輸入軸左軸承處固有頻率隨螺旋角變化曲線

圖 2 輸入軸右軸承處固有頻率隨螺旋角變化曲線

結束語

汽車變速箱總成由齒輪、軸承、傳動軸、同步器及箱體等零部件組成。由于在制造和裝配過程中存在著誤差以及負荷等外部因素變化的影響，它們在工作時將產生振動，同時向空氣中輻射噪聲。所以，需要對變速箱嘯叫聲產生的原因進行分析，并進行適當的改進，從而更好的保證其運行。

[1]高曉謀,吳根華.帶有同步器的手動變速箱油的研制[J].潤滑油, 2015,(05)：10-13.