基于MASTA的分動箱嘯叫分析

汪滋潤 喬湘鶴 朱葉 宋萌萌

摘 要：分動箱是商用四驅車動力傳遞系統的關鍵，承擔著將功率按比例分配給各傳動軸的任務。文章針對某一體式分動箱在三擋高速工況下存在的嘯叫問題，通過MASTA系統建模和試驗驗證的方法深入研究了分動箱嘯叫產生的原因及機理。發現：通過提高齒輪重合度，對齒輪進行微觀修形，可以有效解決分動箱的嘯叫問題。

關鍵詞：分動箱;嘯叫;重合度;微觀修形

Abstract： Transfer box is the key to the power transmission system of commercial four-wheel drive vehicle， it is responsi -ble for the proportion of power among the shafts. This paper aims at the whine problem of an integrated transfer box at the third gear， Through the method of MASTA system modeling and test validation， intensive studying the causes and mechanism of the whine problem. Find： By increasing the contact ratio， the micro modification of gear can effectively solve the whine problem of the transfer box.

前言

在變速箱研發的過程中，除了要保證產品的可靠性之外，噪音控制也是一項重要工作。特別是隨著四缸機的應用，發動機噪音已得到明顯改善，變速箱正日益成為整車的噪聲源，因此如何有效控制變速箱的噪音就成了控制整車噪音的關鍵。本文以某一體式分動箱作為研究對象，針對分動箱在三擋高速工況下存在嘯叫的問題進行研究。采用MASTA系統建模和試驗驗證的方法，發現通過提高齒輪重合度，優化齒輪嚙合斑點的方法可以有效解決一體式分動箱在三擋高速工況下的嘯叫問題。

1 嘯叫的產生及控制分析

1.1 背景說明

據主機廠反應，本公司的一款一體式分動箱樣機在進行路試時發現變速箱在掛三擋分動箱掛高速擋時，存在嘯叫現象，聲音類似于口哨的“嗚嗚聲”，轉速范圍在1800r/min～ 2300r/min之間，主機廠要求我司對此問題進行情況說明并提供解決措施。

1.2 嘯叫的產生

嘯叫是一種高頻噪聲，通常表現為類似于吹口哨的“噓噓聲”和“嗚嗚聲”，其頻率一般分布在400-4000HZ之間。產生嘯叫有多種原因：例如齒輪自身的設計缺陷或制造質量不達標;齒輪在傳動過程中出現很大的錯位量和傳動誤差;傳動系統的諧響應。其中傳動誤差被認為是齒輪嘯叫產生的主要原因。

在齒輪嚙合的過程中，理想的情況是傳動比恒定，即齒面完全共軛。但實際上，由于齒輪的制造誤差、齒輪嚙合過程中的受載變形等因素影響，傳動比并不是恒定的，即存在傳動誤差。英國劍橋大學的J.D.Smith教授對傳動誤差的定義是：假設主動輪以絕對穩定的角速度轉動，那么從動輪的期望運動也是一個絕對穩定角速度的轉動，否則將使得從動輪的位置與期望的理想位置產生偏離，此即傳動誤差TE。

用嚙合線方向的線位移誤差表示傳動誤差的公式如下，單位為μm：

式中：θ1—主動輪的理論轉動角;θ2'—從動輪的實際轉動角;rb1和rb2—主、從動齒輪的基圓半徑。

1.3 嘯叫的控制分析

齒輪嘯叫以多種不同的方式受到傳遞至人耳所經過的路徑的影響，下圖是一個典型的齒輪嚙合嘯叫產生和嘯叫傳遞路徑圖。

由上圖可知，齒輪嚙合產生的嘯叫主要通過兩種方式傳遞至人耳，一種是通過空氣傳播，一種是通過結構傳播。在密封的分動箱內齒輪嚙合所產生的噪音通過空氣傳播不會在殼體外形成高頻噪音，這是因為它沒有足夠的能量來激勵殼體產生強烈振動。齒輪嚙合主要是產生振動激勵，振動激勵通過傳動軸、軸承傳遞給殼體，如果振動激勵頻率接近殼體的自然振動頻率，就會產生共振，從而產生高的噪聲級，嘯叫就是其中之一。

若要對分動箱嘯叫進行控制，主要的措施如下：

（1）遏制嘯叫的激勵源：包括優化齒輪參數、優化齒輪軸系的布置等;

（2）傳遞路徑優化：調整殼體和從動盤的剛度以及在傳遞路徑上增加隔振元件等。

采用調整殼體剛度的方法解決嘯叫問題一般是通過在殼體上焊接加強筋以增加殼體的剛度，并用懸掛敲擊的方法測量出殼體的固有頻率，在確保殼體固有頻率有變化的情況下，在樣車上進行試驗，通過主觀評價來確定是否有效。

本文采用了上述方法，在分動箱的前殼體和后殼體分別焊接了5條加強筋，通過懸掛敲擊的方法測出了改動前和改動后的殼體固有頻率，并在整車上進行安裝試驗后發現嘯叫聲依然存在，實際效果并不明顯。主機廠表示通過焊接加強筋的方法來解決嘯叫問題，存在較大的不確定性，且目標模糊，試驗繁瑣，耗費大量的人力、物力和時間，建議我司采取其他方法。

由于在從動盤剛度優化和安裝隔振元件的方面我司沒有相關的優化經驗，最后討論決定采用優化齒輪參數的方法來解決嘯叫問題。

2 齒輪參數優化

齒輪參數優化包括宏觀參數優化和微觀修形。前者主要是對齒輪的齒數、壓力角、變位系數等宏觀參數進行調整。后者是采用齒形修形和修緣對齒面的微觀形狀進行調整，優化齒輪的嚙合狀態。

2.1 宏觀參數優化

經研究表明，通過提高齒輪嚙合的總重合度可以有效改善齒輪在傳動過程中的受載情況，進而減小箱內傳動系統的變形。齒輪重合度包括端面重合度和軸向重合度，具體計算公式[3]如下：

式中：εγ為總重合度;εα為端面重合度;εβ為軸向重合度;da1和da2為齒輪的齒頂圓;db1和db2為齒輪的基圓;a為齒輪的中心距;αwt為齒輪的端面嚙合角;b為齒輪的齒寬;mn為齒輪的法向模數;αt為齒輪的端面壓力角;Z為齒輪的齒數;β為齒輪的螺旋角;ha*為齒輪的齒頂高系數。pet為齒輪的端面齒距。

由上式可知，齒輪的軸向重合度只與齒寬和螺旋角有關，端面重合度與壓力角、齒頂高系數、變位系數有關，跟模數并沒有直接關系。由此對齒輪參數進行優化，下表為優化前后的齒輪參數對比：

由上表可知，通過調整螺旋角、變位系數和齒頂高系數，新的配對齒輪端面重合度提高了44%，軸向重合度提高了21.2%，總重合度提高了33.82%。

通過Masta軟件，對齒輪參數優化前和優化后的分動箱進行系統建模，分動箱模型如圖2所示：

按75%的最大輸入扭矩作為本次分析的載荷譜，計算出齒輪組2011-28>3011-L在優化前和優化后的傳遞誤差，具體數值如圖3、圖4所示：

高速擋齒輪的傳遞誤差的評價標準一般要求小于2μm。由上表可知，優化前的高擋齒輪傳遞誤差為8.8336μm，經過優化后的新狀態齒輪的傳遞誤差為0.5143μm，遠小于2μm，說明提高齒輪重合度可以有效減小齒輪傳動誤差。

2.2 微觀參數優化

齒輪的微觀參數優化包括齒廓修形和齒向修形，通過改變齒輪的接觸斑點來獲得良好的性能。通常情況下，齒輪微觀修形一般要達到以下目的：接觸斑點對中;充分利用齒寬;避免邊緣和齒頂受載;高速擋齒輪傳動誤差小于2μm;最小化最大接觸應力和齒面載荷分布系數;最大化齒輪安全系數。本文以接觸斑點作為優化目標對分動箱高擋齒輪進行微觀修形。下圖為新狀態齒輪在75%輸入載荷下的接觸斑點圖。

由圖5可知，新狀態的齒輪接觸斑點處于齒廓邊緣，且齒向載荷分布不均。對此我們采用微觀修形的方法對齒輪進行優化。圖6為新狀態齒輪修形后的接觸斑點圖。

3 試驗驗證

為了驗證齒輪優化后的一體式分動箱是否還存在嘯叫現象，委托重慶市國家機動車質量監督檢驗中心對此一體式分動箱進行加載噪音檢測，圖7是三擋的檢驗結果。

檢測結果顯示，變速箱掛三擋時，最高噪音分貝數為96.3，其中在變速箱取力器附近的噪音貢獻最大，主觀感受也最為明顯，但并沒有出現高頻的嘯叫聲。

隨后將齒輪優化后的一體式分動箱安裝至樣車進行路試，主機廠表示之前明顯的高頻嘯叫聲消失。至截稿日，樣車已陸續測試了五個月，噪音表現良好。

4 結論

本文使用Masta軟件對分動箱進行了整體建模，并通過加載噪音檢測對齒輪優化后的分動箱進行了驗證。發現通過齒輪的微觀修形，可以避免齒輪邊緣受載和齒向載荷分布不均的情況。通過提高齒輪重合度，能有效降低齒輪的傳遞誤差，進而減少齒輪的不平穩激勵，改善分動箱的嘯叫問題。

參考文獻

[1] 欒文博.基于全路徑優化的變速器齒輪嘯叫噪音改善[J].汽車實用技術，2019（8）：181-184.

[2] Harald Naunheimer.汽車變速器理論基礎、選擇、設計與應用[M]. 宋進桂，龔宗洋.北京：機械工業出版社，2013.

[3] BS ISO 21771.Gears-Cylindrical involute gears and gear pairs-Con -cepts and geometry[S].UK： British standards institute，2007.