概述变速器的设计与噪声

概述变速器的设计与噪声

北京华纳齿轮有限公司孟昭俊刘玉代

当前社会环境保护及公害治理方面对汽车低噪声化的要求日益强烈，一些国家对汽车噪声作了法规限制，我国控制汽车噪声的法规或专业标准亦正制定和实施。变速器是汽车除发动机、排气系统之外的主要噪声源之一，因此降低变速器噪声则是实现汽车低噪声化的一个重要组成部分。随着汽车工业的发展，汽车质量水平不断提高，特别是近几年来，引进国际先进水平的整车技术，在完成国产化的过程中，对变速器的噪声提出更严格的验收标准，这就使得变速器的降噪研究更为重要和迫切。

引起变速器噪声的原因是多方面的，错综复杂的。其中齿轮啮合噪声是一个主要方面，近几年来，许多学者对齿轮的噪声问题已经有许多研究。齿轮啮合噪声形成及传播的机理和影响因素的研究从理论上和实践上都已有了比较成熟的阐明。普遍认为提高变速器元件特别是齿轮的加工精度是非常有效的措施。但是一味追求很高的加工精度不仅在生产中有许多困难，造成成本的增加，而且潜力已不是很大。因此对变速器噪声的研究已向着综合治理领域拓展。从控制设计参数和提高精度等诸多途径降低变速器噪声，达到噪声、成本、强度等的综合平衡。

从设计的角度出发，在变速器生产工程的前期设计阶段对某些影响噪声的因素进行控制，对降低变速器的噪声会大有益处。本文仅对一些已经搜集到的资料的学习及实际工作中的体会，叙述影响变速器噪声的设计因素及降低变速器噪声的设计方法。

图l 变速器噪声的产生、传播途径

1 影响变速器噪声产生、传播的设计因素简述

1.1 变速器噪声产生及传播途径(如图1)

振动发声+声波传播——总的噪声

由图1可见变速器总成噪声对人们的听觉所产生的效应，同时取决于声源和传播，因此，寻求影响两者的设计因素，并在结构、参数、材料等方面采取针对性措施，会更有效地降低变速器的噪声。

1.2 影响主要噪声源的设计因素

众所周知，齿轮啮合过程中不平稳引起的振动产生噪声，齿轮是变速器主要噪声源，而齿轮在

传递动力运转过程中产生振动的原因和影响因素很多，许多人研究和实验的结果表明，主要不外乎：A．轮齿所受的力发生突变；

B．轮齿进入与退出啮合时的冲击；

C．啮合过程中齿面间相对滑动及摩擦力的变化；

D．受载条件下，轮齿刚性变化及产生弹性变形导致载荷变化；

E．轮齿误差存在造成运转不平均。

与上述因素有关之齿轮设计参数有模数，齿数，压力角，齿面宽，齿顶高，变位系数，重叠系数，啮合角，轮齿修形，齿面光洁度，接触区，安装刚性及精度，所受载荷及圆周速度，齿轮副侧隙等等，分叙于后：

(1)载荷和圆周速度对噪声的影响

据西德尼曼教授所作实验的介绍，同一齿轮功率越大(速度，载荷)，噪声也大，见图2。图中，声压随速度成线性关系变化，随载荷也呈线性关系变化。但在该直线中间有个转折点，在载荷小的范围内比较来说声压有所增加，速度增加越多该转折点移向载荷减小的方向。一般来讲齿面载荷增加一倍，噪声值大3dB左右，同样载荷下转速提高一倍，噪声值大6dB左右。我厂实测结果也与此趋向相同，在转速1500r／min和3500r／min以及空载和加载6Nm(指输入轴)时噪声分贝数相差很大，相同载荷(60Nm)3500r／min的噪声比1500r／min高出5—7dB，相同转速加载荷(60Nm)比空载高2～6dB，其它测试条件相同。

图2 载荷和转速对声压的影响图3 重叠系数与噪声

每一种变速器都依据一定使用要求设计，所传递载荷速度均在特定范围内，且不能任意改变。但从图2所示，说明了齿轮副噪声产生的机理即载荷变化，速度变化对噪声的影响。

(2)重叠系数的影响

齿轮副的重叠系数表示啮合过程中同时啮合的牙齿对数的变化情况。根据尼曼教授的计算公式，声压级与重叠系数的4次根成反比，直观地来理解，当重叠系数大于1(或大于2)时，存在着一对(二对)齿啮合区和二对(三对)齿啮合区，而在这两种啮合区内轮齿受力情况不相同，轮齿在一对齿啮合区受力大约是两对齿啮合区的2倍。这样在轮齿相继啮合下去的时候，齿轮将承受着周期性变化的交变载荷，因而产生周期性振动而发出噪音。重叠系数增大使同时参与啮合的轮齿对数增加，载荷的分配与啮合过程中载荷的变动便可减小。重叠系数对噪声影响见图3。

图4 齿轮模数与啮合起始点

图5 摩擦力、法向力示意图

(3)模数、齿数影响

一旦中心距确定，则齿数和愈大，模数愈小。相同重叠系数

下，较小模数之齿轮较之较大模数的齿轮的噪声敏感低，可理解

为模数小的齿轮啮合起始点曲率半径大，远离基圆，避开了滑动

比大摩擦力大的根部区域，由(1)式和图4明显可见。

同时，模数小，可使重叠系数加大，从而使载荷在轮齿上分配愈均匀；使传动愈平稳。

(4)压力角及齿高系数的影响

轮齿刚性对齿轮运转过程中轮齿上载荷变化有着直接的影

响，轮齿具有较大的“柔性”——即较低的刚性，则可以降低轮

齿啮入，啮出起始和终了点的载荷突变，并可在一定程度上弥补

轮齿误差引起的载荷变动。压力角愈小则轮齿刚度愈低，这种适

应性就愈强。

齿高系数愈大，则不仅重叠系数加大，而且齿变得更长，在

一定程度上增加其轮齿的“柔性”。

(5)变位系数的影响

由于轮齿啮合过程中，只有节点处为纯滚动，其余部位均存

在相对滑动，产生摩擦阻力。其相对滑动速度与摩擦力的大小方

向在节点上下是变化的。对于主动轮节圆以下部位(称为啮入段—

又叫进弧区)齿面相对滑动速度方向朝齿顶，摩擦阻力f P 朝齿根。

而在节圆以上部位(称为啮出段——又称退弧区)齿面间相对滑动

速度方向及摩擦阻力方向刚好相反，由于齿面摩擦阻力存在，使

得齿面法向力在啮入段和啮出段不同，见图5及公式(2)、(3)，设n P 为法向力，μ为摩擦系数。 啮入段： )1(2x tg d M P b n αμ-=

（2） 啮出段： ()

x tg d M P b n αμ+=12 （3） 式中：M ——传递扭矩m N ⋅

b d ——基圆直径mm

μ——摩擦系数

n P ——齿面法向力

x α——接触点X 处压力角

注意从动轮法向力在节点上下两部位的变化与主动轮相反。

由此可见，如果主动轮啮入段减小，啮出段增大则将对降低噪声有利。