低噪聲變速器的開發

陳金柱，許國界

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

低噪聲變速器的開發

陳金柱，許國界

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

開發變速器時，降低噪聲是一個重要的目標。在法定的加速階段車外噪聲級方面，除了發動機（包括進排氣系統）和輪胎外，僅在商用車中，變速器是一個重要的噪聲源。本文從變速器噪聲及起因出發，分析噪聲是怎么達到耳朵的，探討噪聲評價標準及如何降低變速器噪聲。

變速器；低噪聲；評價；對策

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

開發變速器時，降低噪聲是一個重要的目標。汽車噪聲不僅會損害駕駛人和乘客的舒適和健康，而且還會使周圍環境承受交通噪聲之苦。在法定的加速階段車外噪聲級方面，除了發動機（包括進排氣系統）和輪胎外，僅在商用車中，變速器是一個重要的噪聲源。有關其他車內噪聲源的降噪措施已經證明獲得了成功，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，使它與車內其他噪聲源區分開來，這種壓力不是變速器的絕對噪聲級的大小。因為有些變速器噪聲只有在某些工作條件下才可以聽到，所以某些變速器噪聲現象本身不會構成一個太強大的噪聲污染源。但是，這些噪聲常常會導致客戶抱怨，因為用戶會（錯誤地）認為汽車發生故障。在尋求降低變速器噪聲的時候，僅僅改進變速器本身是不夠的，正如所有的汽車噪聲問題一樣，對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，齒輪對的滾動接觸噪聲被稱為嗚嗚聲（嘯叫、振鳴聲或嗡嗡聲）。這種運行噪音有若干起因：

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果。然而，為避免這些嚙合沖擊而所進行的齒廓較正僅僅對某一載荷范圍才會有效。

2）參數激發振動。參數激發振動的起因是輪齒剛性隨嚙合位置而變化。這種振動的大小取決于傳動機構的幾何形狀和轉速。如果激勵頻率（轉速乘以齒數和諧波）接近于齒輪對的自振頻率，共振便會產生特別大的振幅，因而也會產生特別大的噪聲。即使在齒輪輪齒非常精準的情況下，也會出現這樣的振動。

3）滾動接觸噪聲。表面質量不高會產生“搓衣板效應”，從而導致滾動接觸噪聲。即使在滿足公差要求的情況下，如果生產過程中形成的某些齒側表面結構引起了振動，就會出現噪聲。

1.2咔啦聲/咯噔咯噔聲

無載荷時，齒輪和換擋元件在容許的功能限值和生產限值內的振動會產生咔啦聲和咯噔咯噔聲，這些響聲是由變速器軸的扭轉振動引起的。如果扭轉振動的振幅超過一定值后，目前尚未嚙合的空套齒輪輪齒將會離開輪齒驅動側，并在齒隙范圍內來回振動。這種振動的振幅取決于該空套齒輪的轉動慣量、阻力距和引起激勵的扭轉振動加速度的大小。受到激勵作用后，同步器鎖環和滑動接合套也會在它們的間隙范圍內出現扭轉振動。松動的零件在遇到間隙極限的情況時出現撞擊時這種噪聲的真正起因。

1.3哐當聲

除了作為對載荷突變的一種反應的低頻縱向沖擊聲（約2～8Hz）外，還會出現叫做“哐當聲”的高頻金屬響聲。在工作的零件的側面相互敲擊就會出現這種聲響。進行噪聲分析時，必須從飛輪到輪邊減速器的整個傳動系進行考慮。

1.4換擋噪聲

如果同步器不能正常起作用，換擋時就會出現明顯的嚙合噪聲。這種噪聲可能起因包括：同軸度偏差、齒距誤差、齒廓異常和駕駛人的換擋風格等。

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軸承裝配過緊或損壞時才會出現，但隨著損壞程度的增加，噪聲迅速增加。

2、噪聲是怎樣到達耳朵的

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

在正常密封的變速器內所產生的高聲級空氣傳播的噪聲不會在變速器外面形成高聲級噪聲，這是因為它沒有足夠的能量來激勵變速器外殼產生劇烈振動。齒輪體的振動作為結構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，經過各自的軸承傳遞。輸入軸和輸出軸將振動傳到變速器之外。當然，這種振動大部經過變速器軸的軸承傳給變速器外殼。特別是軸的彎曲振動會對外殼產生激勵作用。

如果激勵頻率接近外殼的自然振動頻率，振動會得到進一步放大，因而產生高的噪聲級。變速器殼輻射噪聲中的一部分為空氣傳播的噪聲，其余作為結構傳播的噪聲，通過變速器支座傳給車身。在從變速器經過傳動軸到車身的結構傳播噪聲的傳遞中，傳動軸起到了重要的作用。正因為此，在任何噪聲傳播路徑分析中，不應該將它們忽略不計。

3、噪音評價標準

在評價變速器噪聲過程中，駕駛人、乘客和車外人對這種噪聲的主觀感覺極為重要。

在一輛汽車正處在開發中時，常常通過訓練有素的測試駕駛人對特定的噪聲現象進行主觀評價，對改進措施進行評價。常用的一種評價標準是“ATZ評價”。評價小組必須對他們的評級進行反復比較，以確保進行始終如一的合理評價。

表1　ATZ 變速器噪聲評價表

然而，僅靠客觀評判對詳細分析噪聲的起因是不夠的。為了對變速器的開發措施進行評價和精確的比較，需要有主觀數據。通常使用噪聲和振動數據，而這些數據既可以在工作條件下測得，也可以使用合成激勵的方法測得。依據激勵和探測，可以用模態分析，工作振動或傳播路徑分析等方式，對數據作進一步處理，這樣便可提供有價值的信息。

4、對策

顯然，有效地降低現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過程中，必須從規劃和設計階段對“低噪聲變速器”這一開發目標進行全面考慮。對于限制噪聲產生的主動降噪措施和限制噪聲傳播的被動降噪措施要加以區別。

主動降噪措施有時只能影響某一特定類型的振動。降低傳遞功率的齒輪對的振動的主動降噪措施會對傳動齒輪的幾何形狀和生產質量產生影響。大的橫向接觸比和重疊比（高接觸齒輪和斜齒輪）會減小因此而導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生的變形所導致的嚙合干涉，首先要進行齒廓矯正（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，以防出現過大的動態變形。輪齒加工質量是導致滾動接觸噪聲的一個主要因素。變速器的運行轉速對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。但是這些參數通常都不可以改變。

松動零件的振動程度受變速器本身的三個參數的影響。齒隙和轉動慣量應盡可能小，而作用于各個松動零件上的阻力距應盡可能的大。由于存在許多功能上的抱怨，像低環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。如果相應降低變速器軸的扭轉振動的振幅，可大幅度降低卡啦聲和咯噔咯噔聲。如果發動機轉速的波動被解耦，將可為降低噪聲創造極大的空間。

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

[1]李潤方，王建軍．齒輪系統動力學[M]．北京：科學出版社，1997．

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[4]羅小林，蒙鵬宇，鐘武昌．汽車變速器的噪聲源分析及降噪設計[J]．機械制造，2016年01期．

[5]郭棟．汽車變速器噪聲特性研究[D]．重慶：重慶理工大學，2010．

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，工學碩士，工程師，就職于陜西法士特汽車傳動工程研究院，主要從事機械式變速器的設計工作。