基于整機降噪原則的變速箱殼體結構優化設計

摘要：隨著人們對出行便捷的需求進一步增加，乘用汽車的需求量也越來越大。在此背景下，如何有效的提升汽車綜合性能，就成為駕駛者重點關注內容。汽車運行的各項性能指標中，汽車噪聲是一個重要的評價因素，變速箱內部結構的傳動則是引發噪聲的主要來源。文章從噪聲產生的原因出發，分析噪聲源評價的基本要求，提出變速箱殼體設計的優化措施。

Abstract： With the further increase of people's demand for convenient travel， the demand for passenger cars is also growing. In this context， how to effectively improve the comprehensive performance of the car has become the focus of drivers. Among the performance indexes of automobile operation， automobile noise is an important evaluation factor， and transmission of internal structure of gearbox is the main source of noise. Starting from the causes of noise， this paper analyzes the basic requirements of noise source evaluation， and puts forward the optimization measures of gearbox shell design.

關鍵詞：變速箱殼體;降噪設計;結構優化

Key words： gearbox housing;noise reduction design;structural optimization

0 ?引言

變速箱是重要的多級齒輪傳動裝置，其作用是改變速度和傳動動力。變速箱的設計和加工質量直接影響機器工作的舒適性。汽車運行的過程中，傳動箱內部的構造會互相傳動，引發噪聲，如果噪聲較大的話，會影響到人們的舒適性，甚至影響到動力性能。從這一點考慮，必須要充分做好變速箱的殼體設計工作內容，降低噪聲程度，確保汽車運行效果。

1 ?變速箱內部的噪聲源評價

分析變速箱的內部構造可以看出，其出現噪聲主要是有以下幾種原因：其一，變速箱運行的過程中，自身的齒輪進行咬合，或者其他原因導致的箱體振動，進而引發噪聲。其二，變速箱運行過程中，傳動軸轉動時相關零件松動，導致噪聲產生。其三，生產過程中變速箱之間零件沒有咬合良好，出現空隙，導致出現敲擊聲。其四，變速箱滾動軸承出現問題，導致噪聲。上述這些噪聲是變速箱運行過程中主要的噪聲源，幾種噪聲源可能會同時存在，并不斷疊加放大。因而就需要充分做好變速箱的課題設計工作內容，減少內部振動等原因導致的噪聲問題。實際進行評價的時候，由駕駛人員對箱體的噪聲情況進行主觀的感覺評價，在此基礎上對噪聲效果進行專業評價，并制定ATZ量表。

噪聲的傳播介質分氣體、液體和固體等很多種。變速箱在進行噪聲傳播的過程中，傳播介質主要靠變速箱的殼體，如果能夠對箱體進行有效的改造，確保噪聲源的振動和殼體能夠有著一致的震動頻率，則可以有效避免噪聲源強度過大的問題，有效降低變速箱工作時的噪音。

2 ?變速箱產生噪音的原因

在汽車設備上，不管是手動換擋還是自動換擋，噪音都是不可避免的故障模式。產生噪音的各種因素中，有齒輪引起的，也有殼體等附件引起的。輪齒之間的碰撞和摩擦會產生噪音，油底殼、氣門室罩、正時齒輪室罩等結構薄壁件也是噪音的主要來源。

2.1 齒輪碰撞及磨損引起的噪音

齒輪的加工誤差、安裝誤差和間隙傳動誤差都能產生噪音。如，元件磨損或更換時選用零件精度過造成配合間隙過大;裝配時齒輪間隙過緊;齒輪齒面金屬剝落，齒牙斷裂裝配錯位等。

2.2 軸承碰撞與磨損引起的噪音

殼體軸承孔同軸度、平行度，軸承孔之間的距離等;軸承的振動噪聲、軸承內外圈的同軸度;副軸及主軸軸承的軸向間隙過大扭矩變換方向時會產生卡擦聲等問題。

2.3 變速箱殼體設計與布置不完善引起的噪音

變速箱外殼螺栓有松動在使用過程中震動使螺栓松動平時應定時檢查。手動變速箱中變速桿與變速撥叉凹槽松動。其他部件引起的噪聲有發動機怠速時運轉不正常，傳動軸不平衡，萬向節十字軸磨損或工作角度不相等的問題。

2.4 其他情況引起的噪音

除了上述情況，未正確選用變速箱油、不及時維修等都能造成發動機噪音。品質或假冒變速箱油抗溫能力差容易產生氧化，造成油泥和油渣堵塞自動波箱濾網和潤滑油道，造成自動變速箱內部元件摩擦增大，可能導致車輛出現異響情況，所以選擇正品自動變速箱油。自動變速箱進水后，如果沒有及時維修，可能會造成漏油、異響等系列問題，加劇維修成本。

3 ?變速箱殼體的優化設計

變速箱屬于簿壁殼體類零件，由兩個半殼體合體（經螺栓連接）組成，模型圖如圖1所示，內部構造如圖2所示。

在變速箱殼體上，除了有大小端面、側面等多個平面，還有各種鑄造毛坯自帶的圓弧面和異形面以及各種盲孔、通孔和螺紋孔需要加工。孔和平面的加工過程復雜，其工藝設計順序應遵循先面后孔，先粗后精的加工原則。工作時，兩半變速箱殼體合體，使其內部各零件之間保持正確的位置關系。因此，在零件加工完成后，對零件各類端面的平面度、位置度和同軸度要求比較高。定位工具選用夾緊可靠的專用夾具，切削刀具選用銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐等。為了降低其工作噪音，殼體設計時需要注意以下幾點。

3.1 變速箱的殼體面積要合理

設計的過程中，如果出現了殼體的總表面積過大的情況，就會導致噪聲在殼體的振動條件下表現的更加明顯，進一步導致內部噪聲的發生。如果在較小的平面區域需求的條件下進行設計，雖然有效降低了噪聲振動幅度，強化了殼體強度，但對變速箱內部元件的適配、殼體散熱等工作不利。因此，變速箱殼體設計的過程中，要合理估算殼體的面積，避免殼體過大或過小，確保壁厚的均勻性。

3.2 殼體壁厚設計要合理

設計殼體的時候，應當確保殼體的壁厚均勻且厚度適中，如果壁薄則會導致成型的時候鋁液填充不良，進而出現成型困難或者其他問題，導致難以投入到實際應用中，增加返廠率，或者實際應用的時候殼體的噪聲性能過低，很容易就產生大量的噪聲。鑄件厚度增加的話，抗拉強度和延伸率等都會有所降低，與此同時金屬液體凝固的時間也會相對較長，這樣一來很容易導致壁厚處的晶粒相對更大，這樣的不均勻分布，就會導致在實際應用的過程中產生大量針孔，導致其噪聲性質顯著降低，甚至出現縮孔和裂紋之類的問題。相對壁厚較薄的地方因為組織均勻，晶粒細小，會表現出良好的機械性能。因而在實際設計的過程中就應當盡量的避免壁厚過高的情況，盡量使得殼體整體有著均勻的薄厚，避免厚大部位的出現。而轉角結構設計的過程中，很容易出現壁厚過厚的問題，導致均勻性、抗震能力和噪聲傳播性能顯著較差，因而在設計轉角結構的時候，應當采取針對性措施，通常來說實際設計過程中不能有銳角出現，拐彎處應當是有著較大的弧度，厚薄如果有差異，也應當在較大的拐角中緩慢過渡。

3.3 殼體加強筋布置要合理

變速箱殼體有著重要的應用意義，是整個變速箱結構重量的唯一承載結構。與此同時，殼體內的傳動裝置和操縱機構等也是依托殼體的，因而變速箱的殼體強度設計至關重要。實際進行變速箱殼體強度設計的過程中，最常用的方法就是使用表面加強筋，在提升強度的同時讓散熱工作也能取得很好的效果。加強筋的應用可以一定程度上降低殼體對于噪聲的傳播作用。針對這一情況，在實際進行變速箱殼體設計的過程中，要盡量使加強筋的方向和主要應力方向一致，在此基礎上支撐臂上的加強筋應當以軸承口為原點向周圍進行輻射，必要的時候使用大曲率半徑的加強筋來對縱壁進行設計，加強筋之間保留一些間隔，也可以確保整體的傳聲特性能夠得到改善。實際進行設計的過程中需要充分做好預估，確保殼體整體的降噪性能和運行的有效性。

變速箱殼體的過程中，如果壁厚強度等難以滿足使用條件的話，就需要使用加強筋來進行加強，其作用是確保零件剛性強度的同時，改善變速箱殼體整體性質，避免工件變形之類的問題。通常進行加強筋布置的時候，需要將加強筋的寬度控制在0.5-0.75倍壁厚附近，高度不得低于壁厚且不得高于五倍壁厚。加強筋設置的最終數量和位置都會一定程度上決定殼體整體的強度剛度。如果設計的過程中，同時應用了縱向加強筋和橫向加強筋，縱向橫向交叉的時候就會出現十分厚的截面，這樣的截面對于噪聲傳播性質有著十分不利的影響，因而需要在厚截面處設置一個尺寸符合周圍實際情況的芯銷，后續運行的過程中相當于加上了一個預鑄孔以確保壁厚能夠滿足性質需求。通常來說需要保持加強筋之間間距維持在壁厚5倍附近，如果設計的變速箱殼體厚度4毫米，則應當每隔20毫米的位置就設置一條加強筋。

加強筋設計過程中，其方向和拔模角度有著重要的意義，通常都是需要和周圍的結構有著一致的方向，例如如果周圍存在側面凸臺或者螺栓等，則需要和其保持一致的角度和方向。否則的話，抽芯部位會進一步增加，導致應用效果降低。合理的加強筋結構應用，不僅可以有效的改善變速箱殼體的整體應用效果，提高強度剛度，提高噪聲強度，與此同時還能夠一定程度上降低制造成本，有著重要的應用意義。

3.4 零件結構的設計要合理

螺栓如果不能夠有效布置，可能會導致強度和密封方面出現嚴重問題，而密封出現問題就會導致變速箱運行的過程中產生噪聲。在齒輪加工過程中，除測量齒輪的的齒形、齒向、徑跳等參數外，還會對齒輪的噪音進行檢測或者配對使用。實際進行殼體設計的過程中，需要充分考慮螺栓布置的位置和兩孔之間的距離。螺栓之間的連線稱為壓力線，應當在結合面上，最好是在其中心線當中。實際設計的過程中為了能夠確保螺栓具有充分的密封性，需要確保法蘭的寬度限制在五毫米之內，與此同時螺栓周圍結合法蘭的寬度也控制在三毫米以內，螺栓周圍結合法蘭的寬度控制在三毫米以上，必要的情況下可以是最小值的1.5倍左右。

變速箱內的噪聲源在傳播噪聲的時候，變速箱殼體是主要的傳播途徑，如果其也跟隨產生振動，則會強化噪聲，導致噪聲較大的情況。實際進行變速箱的殼體設計的過程中，需要兼顧其強度和降噪性能，確保內部裝置的運行能夠得到保障的基礎上，提高人們的舒適度。

參考文獻：

[1]吳林.汽車變速箱殼體加工工藝及夾具設計[J].黑龍江工業學院學報（綜合版），2019，19（10）：59-63.

[2]王昆龍.面向變速箱殼體機加過程的質量預測與診斷方法研究應用[D].合肥工業大學，2019.

[3]謝偉.變速箱殼體振動特性分析與優化[J].汽車實用技術，2019（09）：174-176.

[4]張偉，董久成，李玉榮.汽車變速箱殼體零件自動化生產線[J].制造技術與機床，2019（04）：168-171.

作者簡介：房妤（1984-），女，四川人，講師，碩士，研究方向為機械設計制造及機械加工技術。