汽车变速器振动与噪声分析及控制方法研究

汽车变速器振动与噪声分析及控制方法研究

摘要：汽车变速器噪声是汽车的主噪声源之一。在人们对于车辆乘坐舒适性提出更高要求背景下，减振降噪就成为整个汽车行业的重要课题。研究变速器振动噪声产生的原因，针对变速器故障提出相应的优化设计方案，从而达到减振降噪的目的，具有一定的学术价值和重要的实际应用价值。文章分析了汽车变速器产生振动与噪声的主要因素，并对各影响因素的传导机理进行了具体的分析。阐明了通过增大轴的刚性、优化壳体的结构设计、合理设计齿轮等措施，可有效降低变速器噪声。关键词：变速器；振动；噪声；降低噪声

Analysis of Automotive Transmission Vibration and Noise and Control

Methods Study

Abstract: Many facts show that the noise of gearbox is one of the main sources of the automobiles’ noise. With the People’s requirement for more comfort of riding, vibration decreasing and noise absorption have been an important task of automobile industry. Study on the reasons that result in the gearbox’s vibration and noise, furthermore bringing forward an optimizing design for gearbox has some academic and practical value. The dominating factor of the vibration and noise of the transmission is analyzed, and the analysis on the transmission mechanism of the influencing factor is also carried through. What could effectively reduce transmission noise was explained, including increasing rigidity of the shaft, optimizing the structure of the shell, and rational designing of gear.

Key words: transmission; vibration; noise; noise reduction

引言

机械式手动汽车变速器因结构简单，传动效率高，制造成本低和工作可靠等优点，在

不同形式的汽车上得到广泛的应用[1]。机械式手动变速器在今后相当长的时间里，依然会在我国中、重型汽车传动系统中占据着主导地位。变速器总成是汽车传动系统中重要总成部件，汽车变速器的动力学行为和工作性能对整车有重要的影响。许多实验结果表明，汽车

变速器噪声是汽车的主噪声源之一。当前，随着人民生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒

适性提出了更高的要求，汽车变速器的振动噪声问题就成为当前汽车行业急待解决的问题

之一。首先，变速器振动常常会诱发与其相连接的部件的振动，从而影响整车的工作性能:

其次，齿轮噪声的频率一般处于200Hz~5000Hz的范围内，对这一频率范围的噪声人耳尤为

敏感:此外，由于变速器载荷和速度的提高，由此产生的齿轮噪声，比其它声源的噪声更突出。因此，从某种程度上说，控制了汽车变速器齿轮振动噪声也就大大提高汽车乘坐舒适性，解决汽车变速器的振动噪声问题，比以往显得更迫切[2]。

1 变速器噪声振动产生的机理

齿轮在机械传动中应用极为广泛，这是由于齿轮传动有很多优点，传动比稳定，速比

范围大，圆周速度高，传递功率大，效率高，工作可靠，寿命长。但是齿轮传动易产生噪声，尤其是在高速运转情况下更为突出，一般齿轮传动的噪声频率在20~20000Hz，这正是人的听觉最易感受的频率范围。噪声会使人疲劳，有碍人体健康，并会降低齿轮的使用寿命。因此，我们应尽可能地认识齿轮噪声的产生机理并采取相应的措施。汽车变速器是个

较复杂的齿轮机构，主要包含齿轮、传动轴、轴承和箱体等。变速器结构图如图1-1所示，汽车变速器的振动也是一个极为复杂的随机振动过程。据统计，在变速器的异常振动噪声中，90%以上是由齿轮、传动轴或滚动轴承引起的[3]。

图1-1 变速器结构图

1.1 汽车变速器振动噪声机理分析

本节首先从一对“理想”齿轮产生噪声的机理出发，研究齿轮噪声的产生机理，进而研究轴、轴承，最终推广至变速器系统振动噪声产生机理的研究。

1.1.1 齿轮振动噪声产生机理

齿轮传动广泛应用于变速器总成中，齿轮传动的特点是轮齿相互交替啮合，在节点之外的啮合处既有滚动又有滑动，不可避免地要产生齿与齿之间的撞击与摩擦。另外，齿轮的制造误差、安装误差都会破坏正常的啮合关系，使齿轮产生噪声[4]。

轮齿在啮合和脱离过程中产生的周期性冲击噪声的基频即为齿轮的啮合频率。啮合频率F m = nz/60（HZ），式中n为转速（r/min），z为齿轮齿数。

当齿轮和相关旋转件的安装或制造有偏心时，除了离心力激发噪声外，存在偏心的齿轮在旋转一周过程中，两齿轮啮合的松紧程度也要发生变化，使啮合力发生变化，产生振动和噪声，这类噪声一般表现为高频特征。齿轮周节积累误差造成的齿轮每转一圈产生一次冲击的噪声一般表现为低频齿轮噪声。因此，齿轮产生噪声的频率既有低频又有高频。

齿轮啮合动态激励是齿轮系统产生振动和噪声的主要原因。齿轮传动系统作为一种弹性的机械系统，在动态激励下必然产生动态响应，因此研究齿轮啮合过程中动态激励的基本原理，确定动态激励的类型和性质，是研究齿轮系统振动和噪声的首要问题。齿轮系统的动态激励有内部激励和外部激励两类。内部激励是由于同时啮合轮齿对数的变化、轮齿的受载变形、齿轮误差等引起了啮合过程中的轮齿动态啮合力产生的，因而即使没有外部激励，齿轮系统也会受这种内部的动态激励而产生振动噪声。外部激励是指除了齿轮啮合时产生的内部激励外，齿轮系统的其它因素对齿轮啮合和齿轮系统产生的动态激励。如齿轮旋转质量不平衡、几何偏心、原动机（电动机、发动机等）和负载的转速与扭矩波动、以及系统中有关零部件的激励特性，如滚动轴承的时变刚度、离合器的非线性等。

齿轮啮合的动态激励主要是内部激励，齿轮的内部激励包含三种形式：刚度激励、误差激励和啮合冲击激励[5]。

1、刚度激励

一般来说，齿轮轮齿啮合的重合度大多小是整数，啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数随时间作周期变化：此外轮齿在从齿根到齿面啮合的过程中由于啮合点位置的变化，参加啮合的轮齿的弹性变形即刚度也小相同。这些因素引起了齿轮啮合综合刚度的变化。刚度激励就是指齿轮啮合过程中啮合综合刚度的时变性引起的动态激励。

如图1-2以渐开线直齿圆柱齿轮为例，假设齿轮的重合度ε=1~2，传递的转矩不变。这