李東玲

摘要：齒輪傳遞誤差對(duì)汽車變速器的使用性能和壽命起著決定性作用，尤其是變速器的NVH性能?；诖?，本文重點(diǎn)論述了汽車變速器齒輪傳遞誤差。

關(guān)鍵詞：汽車;變速器;傳遞誤差

變速器的噪聲問(wèn)題是困擾變速器產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一。當(dāng)前，研發(fā)的六速三軸橫置式手動(dòng)變速器，該變速器存在噪音超標(biāo)問(wèn)題，樣機(jī)整車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在二檔加速和滑行條件下，駕駛室內(nèi)可聽(tīng)到變速箱明顯的嘯叫聲，同時(shí)發(fā)現(xiàn)變速器在低速轉(zhuǎn)速區(qū)加速條件下的嘯叫聲基本上可被發(fā)動(dòng)機(jī)聲音所掩蓋，然而，在滑行條件下，變速器的嘯叫聲比加速條件下更嚴(yán)重，且嘯叫聲的轉(zhuǎn)速范圍較大。通過(guò)齒輪接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)，認(rèn)為變速器二檔傳動(dòng)齒輪的實(shí)際嚙合狀態(tài)與理想嚙合狀態(tài)存在較大偏差，有必要進(jìn)行修形設(shè)計(jì)。

一、變速器嘯叫機(jī)理

變速器噪聲主要包括嘯叫及敲擊兩種。變速器敲擊主要是由于變速器輸入端扭矩波動(dòng)引起非承載齒輪嚙合沖擊產(chǎn)生;變速器嘯叫是由于齒輪系統(tǒng)嚙合中齒對(duì)的傳遞誤差產(chǎn)生，其特點(diǎn)是：由工作齒輪產(chǎn)生;明顯的階次特征，與齒數(shù)等相關(guān);當(dāng)箱體的固有模態(tài)被激勵(lì)共振后嘯叫表現(xiàn)得更嚴(yán)峻;窄帶激勵(lì)。

變速器嘯叫是一個(gè)嚴(yán)重的汽車質(zhì)量問(wèn)題，因此必須降低或消除變速器嘯叫?？刹捎靡韵路椒ń鉀Q：a.將系統(tǒng)的固有模態(tài)頻率移除激勵(lì)頻率范圍外;b.減小或消除激勵(lì);c.增大結(jié)構(gòu)阻尼以減小響應(yīng)幅值;d.改變或消除振動(dòng)傳遞通道。

對(duì)變速器嘯叫問(wèn)題，很難通過(guò)增大結(jié)構(gòu)阻尼和改變振動(dòng)傳遞通道的方法解決，而且成本高。將變速器的系統(tǒng)模態(tài)頻率完全移除嘯叫頻率范圍外是不可能的。此外，降低變速器嘯叫的另一種方法是減小激勵(lì)，產(chǎn)生嘯叫的激勵(lì)源是嚙合齒輪的傳遞誤差（TE）。即減少傳動(dòng)誤差能有效降低變速器嘯叫，對(duì)齒輪修形能很好地控制齒輪傳遞誤差，并且修形成本相對(duì)更低。

二、汽車變速器齒輪傳遞誤差

傳遞誤差是描述齒輪傳動(dòng)不穩(wěn)定性的一個(gè)參數(shù)。具體定義如圖1所示，當(dāng)主動(dòng)齒輪的理想齒廓與被動(dòng)齒輪的理想齒廓嚙合時(shí)，被動(dòng)齒輪應(yīng)由主動(dòng)齒輪勻速帶動(dòng)。然而，由于嚙合齒輪副的制造和裝配誤差、齒面受載產(chǎn)生彈性變形等因素，被動(dòng)齒輪上的實(shí)際齒廓將處于B′，主動(dòng)齒輪齒廓需多轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使齒廓沿嚙合線繼續(xù)移動(dòng)一個(gè)附加距離TE后，才能與被動(dòng)齒輪的實(shí)際齒廓B′嚙合，此附加距離TE即為傳輸誤差。齒輪嚙合過(guò)程中，傳遞誤差呈周期性變化，在汽車變速器的設(shè)計(jì)和制造中，通過(guò)改變傳動(dòng)齒輪齒形和齒向，能減小齒輪副的傳遞誤差。

三、輪傳遞誤差分析方法

本研究利用MASTA、UG、ANSYS軟件對(duì)變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和殼體零件進(jìn)行建模與有限元分析，并根據(jù)相關(guān)約束條件進(jìn)行仿真裝配，建立完整的變速器系統(tǒng)模型，從而在更符合變速器實(shí)際工作狀態(tài)前提下，對(duì)各檔位齒輪嚙合的傳遞誤差進(jìn)行分析。具體步驟歸納為：

1、變速器殼體在UG軟件中建模，通過(guò)IGES文件格式傳輸?shù)紸NSYS，通過(guò)STL文件格式傳輸給MASTA。

2、利用ANSYS有限元分析功能對(duì)模型子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到殼體零件的凝聚節(jié)點(diǎn)剛度矩陣和凝聚節(jié)點(diǎn)位置信息，并以LIS和TXT文件格式傳輸給MASTA。

3、運(yùn)行MASTA系統(tǒng)分析模塊，計(jì)算齒輪傳遞誤差。

本文研究的變速器在MASTA軟件中建立的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型要求在各檔位工作狀態(tài)下，傳動(dòng)齒輪的傳遞誤差小于2μm。

根據(jù)MASTA的分析計(jì)算，在原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，變速器加速工況下的二檔齒輪傳遞誤差不超過(guò)2μm。然而，滑行條件下二檔齒輪傳遞誤差為2.6528μm，大于設(shè)計(jì)要求2μm，其結(jié)果如圖2、3所示：

四、變速器齒輪修形方案

由于齒輪傳遞誤差產(chǎn)生因素的多樣性和復(fù)雜性，單一修形方式不可能有效地解決，因此必須根據(jù)各種因素制定修形策略。根據(jù)齒輪接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，以及為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，將原齒輪加工刀具修磨后可用于樣件加工，本次設(shè)計(jì)主要使用的齒輪修形工藝和依據(jù)為：

1、齒頂修緣：齒頂修緣可在不降低輪齒強(qiáng)度的情況下減少齒輪嚙合干涉，并可顯著降低齒面嚙合和分離對(duì)傳動(dòng)精度的影響。

2、鼓形修整：由于齒輪嚙合時(shí)存在一定的邊隙效應(yīng)，齒面局部區(qū)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中而凹陷，齒輪加載后會(huì)產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形。因此，可對(duì)其齒形及齒向進(jìn)行微觀鼓形修整，改善齒輪嚙合應(yīng)力分布狀態(tài)。

3、螺旋角修整：增加齒面齒螺旋角可提高齒面重合度和剛性，然而，由于螺旋角的可修整角范圍小，不能改善齒向上的所有接觸區(qū)域。

由于車輛加速滑行時(shí)變速器工作檔位齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，即工作檔位齒輪的接觸齒面相反，所以定義了車輛加速時(shí)，變速器工作檔位齒輪的接觸齒面為工作齒面，其反面為非工作齒面。

本研究以變速器的二檔傳動(dòng)齒輪為分析對(duì)象，根據(jù)其工作齒面和非工作齒面鼓形量、螺旋角、齒面壓力角和齒頂修緣量等方面的差異，分別分析了多組修形參數(shù)。

以二檔傳動(dòng)齒輪初始設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，將每組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入MASTA，計(jì)算不同修形參數(shù)下的傳遞誤差，分析各修形參數(shù)下二檔齒輪傳遞誤差的變化趨勢(shì)。

由于汽車變速器的實(shí)際工況不斷變化，各工況下零件的形變量也會(huì)實(shí)時(shí)變化，這將對(duì)變速器的傳動(dòng)精度產(chǎn)生不同的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常以變速器最常用的工況為主要研究對(duì)象，同時(shí)涵蓋其它工況，因此，在加速及滑行條件下，變速器最大輸入扭矩的50%和20%作為傳遞誤差的考核范圍。

從各種工況下的齒輪傳遞誤差和齒面壓應(yīng)力對(duì)比可知，變速器在車輛50%加載扭矩下的加速過(guò)程中，傳動(dòng)齒輪小鼓形量修整與大鼓形量修整條件下的傳遞誤差相近，且不超過(guò)2μm，但在低扭矩滑行工況下，小鼓形量修整加齒頂修緣的修形方案可顯著降低齒輪的傳遞誤差。

通過(guò)分析齒輪修形參數(shù)的變化、齒輪傳遞誤差、齒面壓應(yīng)力之間的關(guān)系，最終確定了二檔傳動(dòng)齒輪的修形方案：①增加二檔從動(dòng)齒輪非工作齒面螺旋角;②工作齒面與非工作齒面非對(duì)稱修形參數(shù)，非工作齒面的齒形和齒向用小鼓形量修形。

五、變速器齒輪修形方案驗(yàn)證

將新的齒輪修形參數(shù)輸入MASTA軟件進(jìn)行傳遞誤差分析，計(jì)算結(jié)果為：變速器二檔前進(jìn)、滑動(dòng)工況下的齒輪傳遞誤差不大于2μm。

為驗(yàn)證齒輪修形的實(shí)際效果，將改裝后的齒輪安裝在變速器樣機(jī)上，并再次進(jìn)行一輪整車道路試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，變速器二檔工況的主觀感受是，在加速狀態(tài)下，當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到近2500r/min的短轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，可聽(tīng)到輕微的嘯叫聲，但基本上可被發(fā)動(dòng)機(jī)聲音掩蓋。二檔滑行狀態(tài)下，當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1600r/min附近的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，可聽(tīng)到嘯叫聲，但不明顯。主觀上，改進(jìn)的變速器噪聲性能可接受。

在目前的技術(shù)條件下，試驗(yàn)車輛行駛時(shí)，無(wú)法直接準(zhǔn)確地測(cè)量變速器各檔位齒輪的嚙合噪聲，為量化變速器噪聲性能的評(píng)判指標(biāo)，在研究階段采用階次分析法對(duì)變速器各檔位的噪聲性能進(jìn)行考核，即分析振動(dòng)頻率與軸頻比值。當(dāng)變速器工作在某一檔位上時(shí)，齒輪的嚙合階次始終不變，根據(jù)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率特性和傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出變速器二檔傳動(dòng)齒輪嚙合的對(duì)應(yīng)階次。

根據(jù)一般人的感知和變速器設(shè)計(jì)規(guī)范，變速器傳動(dòng)齒輪嚙合噪聲的聲壓級(jí)小于車輛噪聲的平均聲壓級(jí)15dB（A），即認(rèn)為變速器噪聲值能滿足普通駕駛員和乘客的使用要求。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在二檔加速滑行條件下，除少數(shù)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)傳動(dòng)齒輪嚙合階次曲線超過(guò)評(píng)價(jià)線外，其余轉(zhuǎn)速范圍均低于車輛平均噪聲降15dB（A）。試驗(yàn)結(jié)果與主觀感覺(jué)一致，認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求。

總之，齒輪傳遞誤差直接影響汽車變速器的NVH性能。根據(jù)目前的分析結(jié)果，在不改變?cè)凶兯倨骰驹O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)合理的齒輪修形來(lái)減小傳遞誤差的方法是可行的，有效地降低了變速器在使用中的噪聲，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]周冠嵩.基于階次分析的客車變速器噪聲試驗(yàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2014 （11）.

[2]顧廷昶.汽車變速器齒輪傳遞誤差的研究及優(yōu)化[J].傳動(dòng)技術(shù)，2014 （04）.