基于統計試驗設計優化對齒輪噪音的改善

靳少輝

摘要：研究了影響齒輪噪音的關鍵因素對變速器噪音品質影響程度，在此基礎上，結合傳遞誤差與齒輪微觀參數之間的關系，建立了相關性關系的數學模型。結合前期原有的數據，建立仿真和試驗的混合相關性模型，分析影響變速器齒輪噪音的關鍵因素，進一步揭示出關鍵因素法對優化齒輪噪音的意義，為研究和改善齒輪傳動系統噪音提供一種方法。

Abstract： The influence degree of gear micro parameter main-effect working upon transmission noise is researched， the relationship between gear micro main-effect parameter and transmission error is built， and the relationship model is established to analyze the main-effect of gear whine， to provide a method for improvement of the transmission system noise.

關鍵詞：相關性分析；微觀修形；齒輪噪音；傳遞誤差

Key words： main-effect analysis；gear micro modification；gear noise；TE

中圖分類號：TG162.73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0131-03

0 引言

引起變速器噪聲的原因是錯綜復雜的，齒輪嚙合噪音便是其中的一個主要因素，齒輪傳遞動力時，輪齒部猶如承受動載荷的懸臂梁普遍認為齒輪的嚙合噪音是由齒輪嚙合不平穩而產生的傳遞誤差。沿嚙合線方向度量被動輪上的齒廓在實際嚙合時所處位置同理想條件下應處位置之間的偏差就是傳遞誤差[1]（Transmission Error簡稱TE）。

其特點：

①輪齒所受的力發生突變；

②輪齒進入與退出嚙合時的沖擊；

③嚙合過程中齒面間的相對滑動及摩擦力的變化；

④受載條件下，輪齒剛性變化及彈性變形，導致載荷變化；

⑤輪齒存在誤差造成運轉不均；

⑥屬于單頻信號有明顯的階次；

⑦受齒數和發動機轉速影響。

影響TE的因素主要分為宏觀參數和微觀參數，通過優化齒輪重合度增加，對重合度來說，增大其值可以減小單對輪齒的載荷，能減小輪齒嚙入和嚙出沖擊載荷，降低傳遞誤差，同時通過優化齒面的微觀參數能夠使齒面的載荷更加均勻，減小輪齒嚙入和嚙出沖擊載荷，降低傳遞誤差。

本文結合傳遞誤差與齒輪微觀參數之間的關系，建立了相關性關系的數學模型。結合前期原有的數據，建立仿真和試驗的混合相關性模型，分析影響變速器齒輪噪音的關鍵因素，進一步揭示出關鍵因素法對優化齒輪噪音的意義，為研究和改善齒輪傳動系統噪音提供一種方法。

1 齒輪修形及MASTA仿真

1.1 進行齒輪修形的目的

①由于殼體，軸承，軸和齒輪變形引起的嚙合錯位需要齒向（fhb）修形；

②負荷產生的齒面變形需要進行齒形（fha）修形；

③生產公差需要齒形＼齒向鼓形量（ca＼cb）修正。

1.2 MASTA 仿真分析

完成一次有效的MASTA仿真分析需要準備以下條件：

①該工況下的作用在齒輪上面的實際載荷；

②殼體、軸、差速器殼體、齒圈的FEM模型及剛度矩陣導入MASTA[2]；

③實際的嚙合錯位量。

2 統計試驗設計及仿真分析

2.1 統計試驗仿真分析

正交試驗設計法是研究與處理多因素試驗的一種科學方法。利用規格化的表格—正交表，科學地挑選試驗條件，合理安排試驗。

根據試驗設計內容的不同：分為專業設計和統計設計。

專業設計又分為：演示試驗、探索試驗。

統計設計又分為：比較試驗、優化試驗。

我們所講的只是針對“統計試驗設計”。

統計試驗設計是一個十分廣闊的領域，幾乎無所不在。在科研、開發和生產中，可以達到提高質量、增加產量、降低成本以及保護環境的目的。隨著科學技術的迅猛發展，市場競爭的日益激烈，統計試驗設計將會愈發顯示其巨大的威力。

試驗設計的代表方法包括“傳統”方法和“田口”方法和謝寧法。

結合本次試驗數據采用田口法選用5水平4因子L25（54）求望小值。

依據結果在MASTA中進行計算。

①計算各水平對應指標（見表1，一二三四五行）。

②計算各列極差（見表1，R 行）。

③各因素的影響誰主次：

極差較大則影響較大，極差較小則影響次之，因子主次為：B>D>A>C。

④各因素的最佳水平：A1B2C2D2。

2.2 建立相關性圖表及出具標準

將仿真的數據建立相關性圖表（以fha為例）以方便后期與試驗數據對比。

結合以上建立修形標準。

3 試驗驗證

3.1 NVH測試

NVH測試采用LMS公司提供的測試分析系統（LMS SCADAS）進行臺架及實車變速器噪音測試，分別變速器殼體Z向布置振動傳感器以及車室內駕駛員右耳測處加裝麥克風傳感器，測試分析系統由數據分析使用Test Lab測試工況依據實車測試工況制定。

3.2 數據分析

將測試數據和部分仿真數據錄入統一表格建立雙軸圖，其中右側坐標為MASTA仿真的TE值，TE值越小變速器的嚙合噪音就越小，左側坐標表達的為變速器總集與階次之間的差值（簡稱gap值）變速器gap值越大越好，一般認為變速器總集與階次之間的差值小于10dB變速器主客觀評價無法接受。

對雙軸圖的數據進行分析。

圖7數據統計結果表明，擋fha→0時變速器總集與階次之間的差值達到15dBA以上，變速器噪音達到一個較好的水平，同時從圖7右軸也可以看出來當fha→0時 TE值也趨于最小值，與測試結果一致。

4 總結

①闡述了傳遞誤差的物理意義，研究了統計試驗設計方法將影響變速器噪音的各個影響因素量化并求出去最優解[3]。

②通過實際案例，接合仿真計算和實車測試對比分析，驗證了理論的有效性，得出采用統計試驗設計方法可以快速準確的解決變速器噪音問題，進一步闡述了采用統計試驗設計方法對解決變速器噪音的快速性及有效性，為解決和提升變速器嚙合噪音能提供了一種有效的手段。

參考文獻：

[1]詹東安，王樹人，唐樹為.高速齒輪齒部修形技術研究[J]. 機械設計，2000（08）.

[2]程燕.從齒輪傳遞精度對車輛傳動系NVH的研究[J].機械設計與制造，2011（03）.

[3]王寧，梅自元，周長國.基于正交試驗的車身覆蓋件沖壓成形回彈分析[J].機械設計與制造，2008（10）.endprint