變速器設(shè)計初期降低其噪音的方法探討

張海明

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，人們對汽車整體性能要求不僅僅局限于安全、質(zhì)量、重載，舒適性的要求同樣越來越高。其中，整車噪音好壞直接影響用戶的購買欲，然而整車一部分噪音來源于變速器。變速器噪音來源于其自身結(jié)構(gòu)特點以及齒輪嚙合、殼體設(shè)計缺陷和加工工藝。

1 完善齒輪、軸齒零件的設(shè)計及加工工藝

變速器的結(jié)構(gòu)有的區(qū)分主、副箱，副箱又分前副箱、后副箱。主、副箱有的帶同步器，有的通過滑套進行掛擋。主、副箱由主、副軸組成，副軸有單軸和雙軸，副箱副軸也有行星機構(gòu)。雙中間、行星機構(gòu)不僅傳遞扭矩大，給變速帶來的噪音同樣較低。

變速器內(nèi)部齒輪、齒榖、齒套、軸類零件傳遞載荷和旋轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)選擇低含碳量為0.15%～0.25%的低碳鋼或者低碳合金鋼，滲碳淬火后齒面硬度（HRC）能達到56～62，齒面接觸疲勞極限可達到1 500 MPa，彎曲疲勞極限達到850 MPa，耐磨性好，而且齒的芯部保持較高的韌性。

在中心距、基圓、齒寬以及輸出速比一定的情況下，優(yōu)先選擇斜齒輪嚙合，斜齒要比直齒輪重合度高（實際嚙合線段與嚙合點間距比值），傳動承載能力大、更加平穩(wěn)。漸開線標準齒輪嚙合時，設(shè)計多齒數(shù)、大壓力角齒輪目的都是為了增加重合度。試驗證明轉(zhuǎn)速在1 300 r/min時，重合度由1.18增大至2.06時，噪音降低3～5 dB。齒輪齒數(shù)應(yīng)大于等于17，然而過多增加齒數(shù)又會導(dǎo)致模數(shù)減小，會導(dǎo)致齒輪彎曲強度不足。

從降低嚙合產(chǎn)生的噪音振幅、改變頻率來出發(fā)，提高齒輪嚙合重合度可有效降低變速器齒輪嚙合帶來的噪音。

傳統(tǒng)的變速器掛擋方式是通過滑套外花鍵與齒輪內(nèi)花鍵通過撥叉進行，嚙合齒數(shù)有限、嚙合角度較大。掛擋過程，因相鄰的檔位齒輪轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致有沖擊的異響噪音，相比同步器掛擋這種異響的噪音會弱很多。歸根結(jié)底都屬于增加同時嚙合齒對數(shù)、有效接觸面積即重合度來降低噪音。

購置加工精度較高的滾齒機、插齒機、剃齒機、珩齒機、磨齒機、檢測儀器等以及增加對加工設(shè)備的標定次數(shù)。選用鍍鈦刀具、新型刀具，提高刀具耐磨度。熱處理后通過磨齒提高齒輪精度等級的要求，如能否達到7級甚至是6級。降低齒形誤差、齒線誤差、齒距誤差、徑向綜合總偏差，保證徑向跳動。提高結(jié)合面光潔度、齒廓修形、齒頂修緣、齒面進行磨齒、齒頂?shù)估?、去尖角毛刺等。提高齒形、齒向、對齒檢驗精度要求等[1-2]。

2 優(yōu)化殼體的設(shè)計

殼體是變速器的骨架，通過軸承支撐著輸入、輸出軸、撥叉以及操縱組件，對形狀、強度、耐磨性、工藝要求比較嚴格。對于殼體，一般應(yīng)選擇具有鑄造性好、抗拉強度高（不低于200 MPa）、耐腐蝕性好、切削方便等特點的材料。常用的材料有灰鑄鐵（HT200/HT250）和鋁合金（AL107/ENAC-ALSi9Cu3（Fe）DF）。

選擇壓鑄鋁或者重力澆鑄鋁殼體的話，相對于鑄鐵殼體輕很多，同一形狀的鋁殼體質(zhì)量會減為鑄鐵殼的1/3，但價格比較貴。相對于傳動系的彎曲共振而言，鋁殼變速器總成相對于鑄鐵殼的固有振動頻率會下降，反映到變速器上噪音較大。根據(jù)不同情況需要調(diào)整殼體整體形狀與追加筋，這樣既可以提高剛性，又可以改變固有振動頻率，從而降低噪音[3]。

因此，在變速器殼體設(shè)計時，從改變振動面的固有振動數(shù)出發(fā)，選擇合適的殼體材料、追加高密度筋、加肉等方法可有效降低變速器噪音。

3 合理選擇軸承類零件

軸承在變速器主要起到保持軸的旋轉(zhuǎn)精度以及解決軸與殼體直接摩擦、磨損的作用。滾動軸承具有起動靈活、潤滑簡便、摩擦阻力小、成本低等優(yōu)點，在變速器上應(yīng)用較廣泛。但是，在變速器工作時，滾動軸承相會帶來噪音且抗沖擊能力較差、工作壽命不及滑動軸承。因此在變速器設(shè)計允許成本范圍內(nèi)，且主要目的為了降低變速器噪音，可優(yōu)先選擇滑動軸承。

其他一些隔套、襯墊要選擇耐磨、耐腐蝕性材料，如40Cr、20CrMnTi滲碳淬火，甚至選擇價格比較貴的含Sb、Sn、Cu的合金材料。

4 重視對潤滑油的選擇

變速器內(nèi)的潤滑油不僅可以擴散齒輪嚙合、同步器工作、軸承負荷傳送時產(chǎn)生的熱量，防止零件燒傷，降低摩擦力，提高變速器傳動效率，降低功率的損失，還可以防止齒輪、同步器類零件銹蝕以及齒輪嚙合、滑套、同步器工作時吸振降噪的作用。

黏度主要考查不同潤滑油性質(zhì)，即油膜的厚度和液體流動的內(nèi)摩擦性能。變速器工作時，潤滑油會附著在齒輪、同步器、軸承表面形成油膜，油膜薄厚直接影響變速器整體性能，隨著溫度的升高，黏度會降低。

機械變速器潤滑油的指標包含質(zhì)量級別和黏度級別。質(zhì)量級別按照美國石油學(xué)會（API）的標準，可分為 GL-1、GL-2、GL-3、GL-4、GL-5 等質(zhì)量級別，變速器內(nèi)的潤滑油使用較多的是GL-4（中負荷）和GL-5（重負荷）兩類。黏度級別為 75W/80、75W/90、80W/90和85W/90等規(guī)格。

表1 常用變速器齒輪潤滑油的主要性質(zhì)

然而隨著時代的不斷進步，人們發(fā)現(xiàn)常用的GL-4油、GL-5油在實際使用過程中，變速器中容易出現(xiàn)油泥、漆膜及沉積物，導(dǎo)致密封泄漏和同步器潤滑失效。變速器工作時附著在齒面上的固體顆粒無法通過潤滑油被及時沖刷掉，導(dǎo)致固體顆粒進入到齒面引起顆粒磨損、齒面過度磨損、齒廓發(fā)生變形，進而引起振動、噪音。

近期大家都在關(guān)注使用低黏度（低于15.76 mm2/s）潤滑油，10萬、20萬公里免維護，都在與各個石油公司合作開發(fā)符合自身發(fā)動機、橋、變速器的長效潤滑油。要求該潤滑油隨溫度的升高黏度穩(wěn)定性要高，而且不會隨著磨泥浸入而發(fā)生質(zhì)變。但是必須得嚴格控制變速器、變速器內(nèi)各零件清潔度，甚至要考慮增加一些自身清潔的機構(gòu)（增加濾油器、可從變速器外邊更換的磁鐵），防止齒輪嚙合時，齒面磨損、膠合、點蝕帶來的噪音。國內(nèi)外各大著名變速器生產(chǎn)企業(yè)目前均研發(fā)出符合自身特點的變速器專用潤滑油，如法士特的殼法系列、采埃孚的ZF-Ecofluid M、艾利遜的TES-295等。

5 合理選擇螺栓的連接

變速器殼體間一般選用粗牙（M10,P1.5）帶彈墊的螺栓，也可以選擇帶矩形齒的法蘭面螺栓來連接。擰進有效螺紋深度為1.5～2倍的公稱直徑，不僅能增大軸向預(yù)緊力，而且可以起到放松的效果。螺栓擰緊扭矩計算公式如下：

式中：Fa為軸向力；d2為螺紋中徑；ψ為螺紋升角；ρ'為摩擦角；fe為螺栓與被連接件支撐面摩擦系數(shù)；rf為支撐面摩擦半徑。由公式得知，同一規(guī)格的螺栓，F(xiàn)、ψ、ρ'、rf一定的情況下，法蘭面螺栓中因法蘭面存在矩形齒，導(dǎo)致Fa越大。因此選擇法蘭面螺栓連接更加能起到因高溫、沖擊、振動、變載變化放松的效果，從而避免變速器后期因螺栓松動造成的振動噪音。

6 合理應(yīng)用吸音材料

在變速箱、整車發(fā)動機、橋、車架上貼附吸音材料或者噪音罩等措施異可降低整體噪音。

吸音材料指的是內(nèi)摩擦阻力大高阻尼材料，其特性在于易將材料中機械振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，可以大大減少噪音的產(chǎn)生及傳播。一般用材料的損耗因數(shù)來表征材料阻尼的大小，普通鋼材損耗因數(shù)達10-4～10-5，其他金屬為10-4，高阻尼合金材料可達10-2～10-3。在國外，高阻尼合金材料普遍應(yīng)用于內(nèi)燃機的氣閥罩殼、變速箱殼體等。在降低設(shè)備的噪音方面取得了良好的效果。

7 結(jié)語

理論預(yù)判、分析變速器噪音的來源，在變速器設(shè)計初合理選著殼體、軸承、潤滑油、螺栓等零件，可有效解決變速器噪音大的問題。同時，企業(yè)應(yīng)了解、掌握新型科研技術(shù)及國外同類行業(yè)的先進技術(shù)，這樣對變速器乃至整車降噪來說或許事半功倍。