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 ControlMethods StudyAbstract: 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。

这样，在齿轮啮合过程中，有时有一对轮齿啮合，有时有两对轮齿啮合。

在单齿啮合区B—C 中齿轮的啮合综合刚度较小，啮合弹性变形较大；在双齿啮合区A—B和C—D中是两对齿承受载荷，齿轮的啮合综合刚度较大，啮合弹性变较小。

此外，在啮合开始时（A 点），主动轮齿在齿根处啮合，弹性变形较小；被动轮齿在齿顶处啮合，弹性变形较大。

而在啮合终止时（D点），情况正好相反。

所以在齿轮副的连续运转过程中，随着单齿对啮合和双齿对啮合的交替进行，轮齿弹性变形会周期性变化。

图1-2 齿轮啮合过程图图1-3齿轮承受载荷变化图另一方而，在啮合过程中由于单、双齿啮合的交替，会使原来由两对齿承担的载荷突然由一对齿承担，或原来的一对齿承担的载荷，突然由两对齿承担，从而使作用在轮齿上的载荷发生突变如图1-3 所示。

在单齿区F—G 段，载荷较大，而在双齿区F—F 段和G —H 段，则载荷较小。

这样由于载荷的突变也同时对齿轮系统产生了动态激励，导致了齿轮的振动和噪声，对于斜齿轮传动，由于啮合线是“点—线—点”的变化过程，啮合过程的轮齿交替不是突变的。

但啮合过程中轮齿的综合啮合刚度及轮齿载荷也是周期性变化的，同样会引起啮合过程的动态刚度激励。

总之，齿轮轮齿综合刚度和轮齿载荷周期性的变化，引起了齿轮传动系统的动态刚度激励。

2、误差激励轮齿啮合误差是山齿轮加土误差和安装误差引起的。

这些误差使齿轮啮合齿廓偏离理论的理想啮合位置，破坏了渐开线齿轮的正确啮合方式，使齿轮瞬时传动比发生变化，造成齿与齿之间碰撞和冲击，产生了齿轮啮合的误差激励。

通常，影响齿轮振动噪声的各种因素中，齿距误差和齿形误差的影响最大。

在某种程度上，齿轮的其它误差对齿轮振动噪声的影响，都会以一定的形式反映在齿距误差和齿形误差对齿轮振动噪声的影响上。

所以在齿轮振动噪声的研究中研究齿轮的误差激励时，往往将齿轮的误差分解为齿距误差和齿形误差两种形式。

下面以影响齿轮振动噪声很大的齿形误差为例来分析误差激励的机理。

齿形误差是指在轮齿工作部分内，包容实际齿形的两条最近的设计齿形间的法向距离，如图1-4所示，设A齿为主动轮具有理想渐开线齿形的轮齿。

A '齿为从动轮的实际齿形。

根据渐开线齿轮啮合原理，主动轮齿A与从动轮齿A '本来应该在a点正确啮合，由于齿形误差，A齿并不沿A '齿的理想齿形（图中虚线所示）连续地啮合而是在啮合线外的a '点接触，使得瞬时传动比突然发生变化，破坏了传动的平稳性产生较大的冲击，从而产生振动噪声。

误差激励的等效动力学模型如图1-5所示，由于误差的时变性，这种激励形成了啮合过程中的一种位移激励。

这也是误差激励和啮合冲击激励的区别所在。

图1-4 齿形误差产生振动噪声机理图图1-5 误差激励的等效动力学模型3、啮合冲击激励在齿轮啮合过程中由于齿轮的误差和受载弹性变形，当前一对轮齿在进入啮合时，其啮合点偏离啮合线上的理论啮入点引起了啮入冲击；而在一对轮齿完成啮合过程退出啮合时也会产生啮出冲击。

这两种冲击激励统称为啮合冲击激励。

它与误差激励的区别在于啮合冲击是一种力激励，而误差激励是一种位移激励。

齿轮的误差和受载弹性变形，可归结为“啮合合成基节误差”。

根据渐开线齿轮正确啮合条件，主、从动轮基节必须相等，以保证齿与齿之间能够依次平稳正确啮合互不干涉。

如图1-6齿轮啮合时，主、从动轮基节的变化有两种情形：P b1 > P b2和P b1< P b2（P b1、P b2—主从动轮基节）。