自動(dòng)變速器減速齒輪階次噪音分析

范永琦，柴召朋，姚書濤，蘇俊元，袁志強(qiáng)

自動(dòng)變速器減速齒輪階次噪音分析

范永琦，柴召朋，姚書濤，蘇俊元，袁志強(qiáng)

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

隨著人們對(duì)駕駛舒適性要求的提高，汽車自動(dòng)變速器的噪音控制成為了一個(gè)重要課題。文章針對(duì)自動(dòng)變速器減速齒輪噪音進(jìn)行了分析。針對(duì)齒輪振動(dòng)噪聲源頭，對(duì)齒輪的齒形進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低自動(dòng)變速器階次噪音的目的，同時(shí)，也為以后的齒輪設(shè)計(jì)工作提供參考。

振動(dòng)；噪音；齒輪

引言

齒輪是自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要零部件，它承擔(dān)著傳遞動(dòng)力、輸出扭矩的重要任務(wù)。齒輪在變速箱的高速、高扭矩的運(yùn)轉(zhuǎn)下，會(huì)將多種誤差累計(jì)到齒輪嚙合當(dāng)中，其中包括：軸系撓曲、殼體變形，以及相關(guān)部件的加工誤差等誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合傳遞誤差加大、噪音水平增加、疲勞強(qiáng)度降低，甚至?xí)?dǎo)致齒面點(diǎn)蝕、剝落。從而影響自動(dòng)變速器整機(jī)的使用體驗(yàn)及使用壽命，帶來更大的安全隱患。所以，嚙合良好的齒輪是自動(dòng)變速器傳扭平穩(wěn)、安靜的重要保證。因此，齒輪在設(shè)計(jì)過程中，會(huì)引入齒輪修形，來彌補(bǔ)傳遞外界誤差帶來的影響[1]。

針對(duì)自動(dòng)變速器的齒輪傳遞問題，本文擬采用實(shí)驗(yàn)-仿真-實(shí)驗(yàn)的思路，對(duì)齒形進(jìn)行優(yōu)化。通過整車噪音實(shí)驗(yàn)，分析整體分貝值，并提取出噪音異常的階次，針對(duì)性的優(yōu)化該階次齒輪組。通過斑點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)合Romax仿真的手段，分析該組齒輪的傳遞誤差，給出傳遞誤差更優(yōu)、嚙合區(qū)域更接近齒面中心的方案。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證該方案的有效性。

1 故障描述

自動(dòng)變速器在整車NVH評(píng)價(jià)中，發(fā)現(xiàn)5擋加速工況時(shí)，存在嘯叫狀況，讀取噪音數(shù)據(jù)，繪制color map圖發(fā)現(xiàn)，圖中有明顯亮線，對(duì)應(yīng)階次為20.8，且該階諧頻也存在分貝值過高的情況。經(jīng)過對(duì)自動(dòng)變速器的分析，發(fā)現(xiàn)二級(jí)減速蘇齒輪對(duì)應(yīng)該階次，于是猜測(cè)問題點(diǎn)為該處齒輪嚙合不良。

為了進(jìn)一步印證猜測(cè)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制階次成分對(duì)比圖，用22%階次成分與3%頻率成分做差，分析20.8階次噪音的掩蔽效應(yīng)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下：

圖1 5擋加速工況color map圖

由圖2可以看出，掩蔽效應(yīng)差值圖中大量轉(zhuǎn)速工況下<6 dB，部分共工況<3 dB。由于在實(shí)際使用車環(huán)境下，當(dāng)掩蔽效應(yīng)差值在3 dB以上時(shí)，階次噪聲會(huì)基本被掩蔽，人體直觀感受良好。當(dāng)掩蔽效應(yīng)差值在6 dB以上時(shí)，此時(shí)認(rèn)為階次噪聲被完全掩蔽。顯然，當(dāng)前狀態(tài)，已經(jīng)對(duì)駕駛者產(chǎn)生了影響。

圖2 原始機(jī)型掩蔽效應(yīng)差值

2 齒輪修形

為了找出階次噪音的真因，對(duì)原始機(jī)型的二級(jí)減速齒輪進(jìn)行斑點(diǎn)試驗(yàn)，以此觀察嚙合痕跡。

斑點(diǎn)試驗(yàn)需對(duì)齒輪進(jìn)行氧化處理，使表面呈黑色。處理后的齒輪裝機(jī)，輸入工況見表1：

表1 斑點(diǎn)試驗(yàn)工況

輸入轉(zhuǎn)速/rpm扭矩/Nm運(yùn)行時(shí)間/h 2 00012012

試驗(yàn)后，拆解觀察齒面嚙合痕跡，如圖3所示：

圖3 原始機(jī)型嚙合斑點(diǎn)

對(duì)原始機(jī)型進(jìn)行拆解后，觀察嚙合痕跡，發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合痕跡偏向下側(cè)，初步判定，嚙合痕跡不居中，導(dǎo)致傳遞誤差增大[2]。

由于二級(jí)減速齒輪20.8階噪音的問題已經(jīng)初步鎖定在了齒輪嚙合偏載，為了能夠精確地給出優(yōu)化參數(shù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，現(xiàn)采用Romax仿真軟件對(duì)該對(duì)齒輪進(jìn)行分析，調(diào)整齒形。齒輪修形主要是對(duì)齒形傾斜偏差fhα、齒形鼓形量Cα、齒向傾斜偏差fhβ、齒向鼓形量Cβ四大修形參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。首先使用Romax仿真軟件對(duì)原始參數(shù)進(jìn)行仿真，原始機(jī)型仿真參數(shù)如表2所示：

表2 原始機(jī)型齒輪參數(shù)

fhαCαfhβCβ 主動(dòng)齒輪0303 從動(dòng)齒輪0303

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)齒面受力情況，充分考慮軸系間配合帶來的影響，建立了整機(jī)仿真模型，整機(jī)仿真模型如圖4所示：

圖4 變速箱整機(jī)仿真模型

仿真輸入工況與斑點(diǎn)試驗(yàn)相同，仿真齒面應(yīng)力云圖如圖5所示：

圖5 原始機(jī)型仿真齒面受力

圖5為修形前嚙合受力位置，可以看出受力位置也是偏向于左側(cè)，此時(shí)傳遞誤差0.413 μm，與斑點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果一至。

查閱相關(guān)資料，一般齒輪優(yōu)化方向主要在兩個(gè)方面：（1）齒輪副嚙合時(shí)，在扭矩較大的工況下，提高Cβ能夠有效地抵消齒變形帶來的傳遞誤差，能夠有效降低高負(fù)荷工況下的噪音。但反作用也同時(shí)存在，那就是使齒面受力更加集中在齒面中部，齒輪壽命會(huì)有所降低。（2）由于齒輪在嚙入與嚙出是齒輪傳動(dòng)過程中沖擊最大的節(jié)點(diǎn)，振動(dòng)激勵(lì)也與此息息相關(guān)。齒輪副嚙合時(shí)，主動(dòng)齒輪的是由齒根嚙合到齒頂，而從動(dòng)齒輪是從齒頂嚙合到齒根。故一般會(huì)主動(dòng)齒輪的fhα?xí)笥趶膭?dòng)齒輪，以減少齒輪嚙入帶來的沖擊，從而減小振動(dòng)激勵(lì)[3]。

基于以上資料，結(jié)合仿真軟件調(diào)整四個(gè)主要修形參數(shù)，調(diào)整后參數(shù)如下：

表3 修形齒輪參數(shù)

fhαCαfhβCβ 主動(dòng)齒輪0236 從動(dòng)齒輪?5208

修行后仿真應(yīng)力云圖如圖6所示：

圖6 修形齒輪仿真齒面受力

此時(shí)傳遞誤差為0.053 μm。可見，新的齒輪修形方案在優(yōu)化了嚙合位置的同時(shí)，降低了傳遞誤差，即從振動(dòng)源頭減小激勵(lì)，從而降低動(dòng)態(tài)激勵(lì)引起的穩(wěn)態(tài)噪聲[4]。

修形后齒輪制作樣件后，進(jìn)行斑點(diǎn)試驗(yàn)，工況不變，拆解后齒面結(jié)合痕跡如圖7所示：

圖7 修形后嚙合斑點(diǎn)

由圖7可以看出，嚙合痕跡沒有偏載，符合參數(shù)調(diào)整的預(yù)期。

3 驗(yàn)證

按照傳遞誤差0.053 μm的新方案加工齒輪后，將原始自動(dòng)變速器變速器二級(jí)減速齒輪更換為新方案的齒輪，重新上車進(jìn)行NVH測(cè)試。得到的數(shù)據(jù)如下：

圖8 修形后Color map圖

由圖8可以看到，已經(jīng)找不到20.8階的噪音及該階次的諧頻噪音的亮線。整個(gè)Color map圖清晰干凈，無明顯的任何階次及諧頻的噪音。

圖9 修形后掩蔽效應(yīng)差值

由圖9可知，掩蔽效應(yīng)差值曲線已經(jīng)完全滿足3 dB的要求，只有極個(gè)別工況會(huì)略小于6 dB，在實(shí)際駕駛過程中，聽不到任何階次噪聲，主觀感受安靜舒適。

由于增大齒向鼓形量Cβ會(huì)影響耐久性，故補(bǔ)充了兩組耐久試驗(yàn)，其中一組耐久后零件狀態(tài)如下圖所示：

圖10 主動(dòng)齒輪耐久后齒面

圖11 從動(dòng)齒輪耐久后齒面

由圖10、圖11可以看出，修形后齒輪齒面無異常磨損或損傷，可見本次修形方案對(duì)零件的壽命影響可接受。

4 結(jié)論

（1）在處理自動(dòng)變速器嘯叫的故障時(shí)，通過階次分析，往往能快速鎖定問題源頭，有針對(duì)性地進(jìn)行改善。

（2）減小齒輪的傳遞誤差，能從激勵(lì)源頭上減小振動(dòng)，對(duì)自動(dòng)變速箱的噪音控制有較為明顯的效果。

（3）改善后Color map圖中階次亮線已經(jīng)完全消失。同時(shí)，掩蔽效應(yīng)差值基本都由小于3 dB改善到了6 dB以上。在整車駕駛過程中主觀感受不到階次噪音的存在。改善效果顯著。

[1] 龐劍,諶剛.汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 常山.圓柱漸開線斜齒輪嚙合過程受載變形的試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,29(4):37-39.

[3] 施虎,淺談齒輪修形對(duì)變速器反拖哨音的影響[J].汽車與車輛, 2015,03(2):32.

[4] 武俊杰,劉佳.基于齒輪修形的減速器嘯叫優(yōu)化[J].汽車科技,2019, 05(03):16-19.

Analysis of Order Noise of Reduction Gear in Automatic Transmission

FAN Yongqi, CHAI Zhaopeng, YAO Shutao, SU Junyuan, YUAN Zhiqiang

( Harbin Dongan Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150000 )

With the increasing requirements for driving comfort, the noise control of the automatic automobile transmission has become an important topic. This paper analyzes the noise of automatic transmission.For the gear vibration noise source head, the tooth shape of the gear is optimized to reduce the order noise of the automatic transmission, and also provide reference for future gear design.

Vibration; Noise; Gear

U461.3

A

1671-7988(2021)23-107-04

U461.3

A

1671-7988(2021)23-107-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.030

范永琦，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司。