摘要：文章根據(jù)DF4型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)變速箱產(chǎn)生噪聲和異音的實(shí)際情況，闡述了齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的機(jī)理與原因，找出產(chǎn)生故障的各種現(xiàn)象并進(jìn)行深入分析，指出了設(shè)計(jì)、檢修和組裝中應(yīng)注意的問題與改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：DF4型內(nèi)燃機(jī)車；噪聲；變速箱；改進(jìn)措施

中圖分類號(hào)：U262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）01-0182-03

DF4型內(nèi)燃機(jī)車是我國(guó)鐵路干線客、貨運(yùn)基型機(jī)車，DF4型內(nèi)燃機(jī)車輔助傳動(dòng)裝置中的啟動(dòng)變速箱是保證內(nèi)燃機(jī)車正常運(yùn)行的主要部件。在內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了啟動(dòng)變速箱噪聲大，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車司乘人員的身體健康造成了一定程度的不良影響。為使內(nèi)燃機(jī)車的噪聲得到有效的控制，有針對(duì)性地對(duì)啟動(dòng)變速箱進(jìn)行了分析與改進(jìn)。本文根據(jù)啟動(dòng)變速箱產(chǎn)生噪聲的具體表現(xiàn)形式，對(duì)啟動(dòng)變速箱產(chǎn)生噪聲的根源進(jìn)行了分析，在確定齒輪傳動(dòng)形式的基礎(chǔ)上，通過對(duì)齒輪的幾何參數(shù)的試驗(yàn)選擇以及加工工藝的合理選擇，同時(shí)通過對(duì)啟動(dòng)變速箱內(nèi)各零部件裝配方式的改進(jìn)，使啟動(dòng)變速箱內(nèi)齒輪嚙合質(zhì)量得到較大幅度的提高，從而有效地控制了噪聲的產(chǎn)生。

一、問題的提出

東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車輔助傳動(dòng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置分別采用了機(jī)械傳動(dòng)、靜液壓傳動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的三種傳動(dòng)形式，其中機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，效率高、成本低并且維修方便；靜液壓傳動(dòng)重量輕、體積小、工作平穩(wěn)、自動(dòng)控制且無(wú)級(jí)變速；用直流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電傳動(dòng)方式工作可靠、適宜遠(yuǎn)距離控制。在以上三種傳動(dòng)形式中，電傳動(dòng)方式噪聲極度低；靜液壓傳動(dòng)及機(jī)械傳動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的主要原因。對(duì)實(shí)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)形式中的啟動(dòng)變速箱在空載及負(fù)載工作時(shí)，特別是在中高轉(zhuǎn)速負(fù)載時(shí)，啟動(dòng)變速箱所發(fā)出的噪聲及異音（工廠俗語(yǔ)，即齒輪雜音，或間斷性的沖擊噪聲）明顯，因此，解決啟動(dòng)變速箱的噪聲及異音就可以降低內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行過程中的噪聲。

啟動(dòng)變速箱安裝在機(jī)車的傳動(dòng)室內(nèi)，安裝座與機(jī)車底架焊接在一起。萬(wàn)向軸將柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組與啟動(dòng)變速箱連接在一起。啟動(dòng)變速箱有四個(gè)輸出端：以兩個(gè)彈性柱銷聯(lián)軸節(jié)分別帶動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)，以尼龍繩聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)前通風(fēng)機(jī)，以三角皮帶帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)。啟動(dòng)變速箱是機(jī)械傳動(dòng)的重要部件，它負(fù)責(zé)柴油機(jī)啟動(dòng)并在正常工作中驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)和測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作，由上箱體、下箱體、主動(dòng)軸、主動(dòng)齒輪、中間軸、中間齒輪、從動(dòng)軸、從動(dòng)齒輪、兩根輸出軸及各軸承、法蘭等組成，啟動(dòng)變速箱采用直齒傳動(dòng)，加工簡(jiǎn)單、工作可靠。兩個(gè)大齒輪用高碳優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造而成，兩個(gè)小齒輪用低碳優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造，通過熱處理提高它們的機(jī)械性能。啟動(dòng)變速箱與其余輔助傳動(dòng)設(shè)備組裝為啟動(dòng)變速箱總成。

二、齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生機(jī)理與原因

（一）齒輪系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生及傳播機(jī)理所涉及的問題

1.工作條件、齒輪種類、設(shè)計(jì)參數(shù)、加工裝配精度與誤差等狀況對(duì)動(dòng)態(tài)嚙合力的影響；

2.根據(jù)齒輪的類型，建立齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，分析在動(dòng)態(tài)激勵(lì)力作用下系統(tǒng)的振動(dòng)形式；

3.齒輪系統(tǒng)中各零部件的振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)由嚙合輪齒至箱體表面的傳播過程和傳播特性；

4.對(duì)于加速度噪聲則必須討論它們是如何透過箱體傳至外部的。

（二）齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因

1. 齒輪設(shè)計(jì)方面。參數(shù)選擇不當(dāng)；重合度過??；齒廓修形不當(dāng)或沒有修形；齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。

2. 齒輪加工方面?；?jié)誤差和齒形誤差過大；齒側(cè)間隙過大；表面粗糙度過大等。

3. 輪系及齒輪箱方面。裝配偏心；接觸精度低；軸的平行度差；軸承、軸、支承的剛度不足；軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?/p>

4. 其他方面。輸入扭矩、負(fù)載扭矩的波動(dòng)；軸系的扭振：電動(dòng)機(jī)及其他傳動(dòng)副的平衡情況等。

三、啟動(dòng)變速箱故障特征

在機(jī)車運(yùn)行過程中，當(dāng)司機(jī)室的噪聲和異音較大時(shí)，對(duì)啟動(dòng)變速箱進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)變速箱的振動(dòng)大、有異音。按工藝首先檢查變速箱座固定螺栓是否松動(dòng)，安裝座與機(jī)車底之間的焊縫是否有裂紋。在外部檢查正常的情況下，對(duì)變速箱必須進(jìn)行解體檢查，檢查變速箱內(nèi)各齒輪狀態(tài)、嚙合間隙、接觸狀態(tài)、各軸情況。

針對(duì)啟動(dòng)變速箱故障的特征，筆者分析了齒輪在生產(chǎn)加工過程中可能產(chǎn)生的故障的各種因素，在綜合各種影響因素的過程中，發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)變速箱設(shè)計(jì)制造裝配上存在一些缺陷：

1. 三對(duì)齒輪副重疊系數(shù)過低。從設(shè)計(jì)和制造上顯然存在著脫嚙現(xiàn)象。一對(duì)輪齒脫嚙撞擊經(jīng)過一輪多級(jí)傳動(dòng)的傳遞引起連鎖反應(yīng)，因此啟動(dòng)變速箱內(nèi)部就存在著異音的根源。加以機(jī)車柴油機(jī)曲軸的扭振（實(shí)測(cè)其頻率約為40Hz）和各類輔機(jī)隨負(fù)載變化造成旋轉(zhuǎn)不勻回饋到箱內(nèi)（一級(jí)多輪的串聯(lián)式直齒嚙合副對(duì)外來(lái)低頻激振毫無(wú)“壓制”能力），異音的存在就很顯然了。

2.變速箱四根軸只設(shè)單排軸承（濺油潤(rùn)滑）；殼體長(zhǎng)寬高（1200x200x600）的比例為6:1:3，顯然寬度比例太小，壁厚12mm，肋寬18mm，箱體狹窄，箱壁較薄，導(dǎo)致剛性較差，變速箱殼體設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)化，箱體固有頻率很低，自然易于引起共振，引發(fā)異音和噪聲。

3.齒輪磨削時(shí)不控制齒形齒向誤差的方向，造成嚙入沖擊和嚙入刮行，使齒面接觸區(qū)承載狀況不但使工作齒面偏載嚴(yán)重，更主要的是引發(fā)高頻尖叫聲，研齒和電火花跑合不能從根本上改善齒面接觸，由于齒面形狀被壞，往往會(huì)加劇噪聲。齒形齒向誤差曲線上的個(gè)別尖點(diǎn)、高點(diǎn)(其誤差值在0.003mm以上)以及相鄰周節(jié)偏差大于0.0lmm的輪齒都會(huì)引發(fā)異音。

4.齒輪在軸上作過盈配合，主動(dòng)軸、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸與齒輪的過盈量應(yīng)控制在0.1～0.13mm，中間軸、勵(lì)磁機(jī)傳動(dòng)軸與其齒輪的過盈量應(yīng)控制在0.06～0.09mm，裝配時(shí)各軸組與驅(qū)動(dòng)機(jī)組的組裝同軸度及法蘭面間隙差超限，則會(huì)使驅(qū)動(dòng)機(jī)組地腳安裝螺絲在長(zhǎng)期振動(dòng)中松弛，則會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)中軸組產(chǎn)生抗勁，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升變速箱轟鳴聲也越來(lái)越大。

5.一級(jí)多輪“串聯(lián)”式傳動(dòng)使齒輪受力情況不理想主動(dòng)齒輪處于“懸浮”狀態(tài)，中間齒輪向上抬起，只有兩個(gè)從動(dòng)齒輪斜向壓緊在箱體底座上。這樣主動(dòng)齒輪和中間齒輪軸系對(duì)輪齒嚙合的激振力就失去了“壓制”能力，顯然影響噪聲。

6.由于變速箱的安裝是以柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組為基準(zhǔn)，啟動(dòng)變速箱輸入軸與柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組之間的高度稍有差異，聯(lián)接法蘭的聯(lián)接孔的位置度及中心高的高度差，對(duì)產(chǎn)生變速箱的振動(dòng)有一定的影響。啟動(dòng)變速箱輸入軸與柴油機(jī)曲軸不同軸，須萬(wàn)向軸調(diào)節(jié)，兩法蘭不平行將產(chǎn)生徑向力，引起振動(dòng)和沖擊。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)各軸與變速箱對(duì)應(yīng)各輸出軸軸線不同軸，對(duì)變速箱影響就比較大，旋轉(zhuǎn)時(shí)即傳遞扭矩又產(chǎn)生周期性徑向力，兩軸還將承受很大的附加應(yīng)力，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，發(fā)出較大噪聲，長(zhǎng)期運(yùn)行將增大軸承游隙，造成軸承損壞，齒輪失效。

7.變速箱在機(jī)車內(nèi)部的安裝位置受結(jié)構(gòu)限制無(wú)法隔音，安裝底座比較單薄，剛度差，組裝后與工作時(shí)變形較大，引起共振等外部因素也影響啟動(dòng)變速箱噪聲偏高。

8.軸承因潤(rùn)滑不好，材質(zhì)不良或有異物進(jìn)入時(shí)，造成軸承滾子、滾道出現(xiàn)疤痕，軸承旋轉(zhuǎn)引起振動(dòng)和噪聲。在變速箱組裝過程中，端蓋與軸承外圈之間應(yīng)保持0.1～0.5mm的間隙，預(yù)留的軸向竄動(dòng)量太小，軸承將承受較大的軸向附加應(yīng)力，產(chǎn)生噪聲，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒損軸承。

其他如三對(duì)輪齒側(cè)隙的均勻性、箱體的加工精度（包括上、下箱體結(jié)合的平直度和軸孔位置精度等）冷卻潤(rùn)滑油品及飛濺方式也存在問題。

四、啟動(dòng)變速箱的工藝改進(jìn)

東風(fēng)4型機(jī)車己累計(jì)生產(chǎn)一千五百多臺(tái)，從生產(chǎn)的繼承性和維修備品考慮，不能輕易改動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，因此啟動(dòng)變速箱降噪音和消除異音主要是從工藝上采取措施。

1.嚴(yán)格控制齒輪磨削時(shí)工作齒面齒形的誤差方向，齒輪的嚙合間隙和側(cè)隙為0.13～0.4mm，對(duì)齒形發(fā)生變化的一定要測(cè)量其基節(jié)長(zhǎng)度，避免較大基節(jié)誤差的齒輪裝車使用，齒頂盡量避免自然修緣，組裝前進(jìn)行齒頂修緣，尤其是新舊齒輪配合時(shí)更應(yīng)如此，修緣推薦高度為2.5～3.5mm，齒寬方向?yàn)?.06～0.10mm ，以保證最小重疊系數(shù)和消除嚙入沖擊、嚙入刮行。這項(xiàng)改進(jìn)措施經(jīng)使用后異音情況有所好轉(zhuǎn)。

2.裝配時(shí)保證齒向的接觸長(zhǎng)度。啟動(dòng)變速箱異音的主要成分是輪齒脫嚙撞擊。鑒于修形工藝雖然能改善齒面接觸區(qū)，但同時(shí)也降低了重合度，加劇了輪齒脫嚙的可能性，因此不修改齒輪參數(shù)，以增大其理論重合度，就不能采用修形工藝。在使用直齒輪的情況下，應(yīng)考慮將重合度提高，從而避免嚙合齒數(shù)變化時(shí)的沖擊。同時(shí)改善軸和齒輪扭矩分配，防止輪齒嚙合時(shí)齒面扭轉(zhuǎn)傾向，對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)認(rèn)真檢查消除各軸軸線偏差引起的嚙合不良現(xiàn)象。

3.提高組裝質(zhì)量，消除柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)部件的動(dòng)不平衡，改柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)單件動(dòng)平衡試驗(yàn)為組裝后整體實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)萬(wàn)向軸、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)及軸身徑向跳動(dòng)量的控制。

4.提高軸承等級(jí)，確保新?lián)Q軸承的質(zhì)量等級(jí)，特別是游隙、滾道光潔度、滾珠的匹配，以及保持架的組裝質(zhì)量。使軸承徑向、軸向振擺減少，提高了齒輪系旋轉(zhuǎn)的對(duì)中程度和穩(wěn)定性，顯然有利變速箱的降噪。

5.若啟動(dòng)變速箱在某一轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)噪聲問題，應(yīng)為共振所致。經(jīng)計(jì)算變速箱固有頻率f≈2.08，因此外力引起的振動(dòng)頻率如大于2.08，就可能造成變速箱共振。在不改變啟動(dòng)變速箱原有結(jié)構(gòu)的前提下，經(jīng)過工藝上的改進(jìn)，如適當(dāng)部位加厚，加大整個(gè)箱體的壁厚，使箱體剛性加強(qiáng)，能有效避免共振的發(fā)生，也可選用硬度較大的硫化橡膠隔振，加固底座與車底架消除共振。雖然這樣啟動(dòng)變速箱噪聲比未改進(jìn)前有了較大幅度的改善，但穩(wěn)定性不夠好，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)變速箱有明顯的噪聲和異音，這樣的改進(jìn)并不能從根本上解決啟動(dòng)變速箱共振現(xiàn)象，但對(duì)減少共振噪聲的產(chǎn)生起到了很好的防范作用。

6.斜齒變速箱方案改造，直齒傳動(dòng)輪齒沿齒寬嵌入和脫離，載荷突然加上和卸下，易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，而斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)時(shí)輪齒齒廓沿斜線接觸，齒廓接觸線是漸增或漸減的，提高了傳動(dòng)平穩(wěn)性，避免了振動(dòng)沖擊和噪聲。不足之處在于加工工藝難度大、成本高，與現(xiàn)階段干線運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)車的啟動(dòng)變速箱互換性差。

其他如選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油，潤(rùn)滑油的品質(zhì)、油位的高低是引起啟動(dòng)變速箱異音的直接原因；齒輪加熱溫度控制在180℃，保持時(shí)間40～60min，溫度不應(yīng)過高，以免影響齒輪表面硬度，縮短齒輪壽命。

五、結(jié)語(yǔ)

發(fā)達(dá)國(guó)家內(nèi)燃機(jī)車輔助系統(tǒng)的傳動(dòng)方式現(xiàn)階段已基本采用變頻電機(jī)代替啟動(dòng)變速箱，特別是在高速機(jī)車上其傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低的優(yōu)勢(shì)極其明顯，這一傳動(dòng)方式必然是我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車傳動(dòng)方式發(fā)展趨勢(shì)。但現(xiàn)階段，我國(guó)鐵路干線機(jī)車絕大多數(shù)為DF4型內(nèi)燃機(jī)車，其傳動(dòng)方式不可能完全改變。只有更好地知道啟動(dòng)變速箱噪聲產(chǎn)生的原因與機(jī)理，檢修過程中嚴(yán)格控制配件組裝，才能提高配件的檢修精度。通過對(duì)啟動(dòng)變速箱與其他輔助傳動(dòng)裝置組裝后的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了輔助傳動(dòng)裝置工作的穩(wěn)定性，對(duì)遏制輔助傳動(dòng)裝置振動(dòng)有明顯的作用，同時(shí)保證了啟動(dòng)變速箱工作穩(wěn)定，有效地預(yù)防和排除了變速箱的異音 。

參考文獻(xiàn)

[1]劉達(dá)德．東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1998．

[2]會(huì)田俊夫，張展譯．齒輪的精度與性能[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1998．

[3]王定國(guó)，周全光．機(jī)械原理與機(jī)械零件[M]．上海：高等教育出版社，1994．

[4]朱志英，觀武．內(nèi)燃機(jī)車檢修[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1991．

[5]濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2001．

作者簡(jiǎn)介：陳景偉(1977- )，男，廣深股份有限公司廣州機(jī)務(wù)段驗(yàn)收室助理工程師，從事機(jī)車小輔修和機(jī)車備品的驗(yàn)收工作。