張海明

（中國(guó)重汽集團(tuán)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(duì)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(lái)越高。其中，整車噪音好壞直接影響用戶的購(gòu)買欲，然而整車一部分噪音來(lái)源于變速器。變速器噪音來(lái)源于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及齒輪嚙合、殼體設(shè)計(jì)缺陷和加工工藝。

1 完善齒輪、軸齒零件的設(shè)計(jì)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(guò)滑套進(jìn)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(jī)構(gòu)。雙中間、行星機(jī)構(gòu)不僅傳遞扭矩大，給變速帶來(lái)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(dá)到56～62，齒面接觸疲勞極限可達(dá)到1 500 MPa，彎曲疲勞極限達(dá)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(shí)際嚙合線段與嚙合點(diǎn)間距比值），傳動(dòng)承載能力大、更加平穩(wěn)。漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪嚙合時(shí)，設(shè)計(jì)多齒數(shù)、大壓力角齒輪目的都是為了增加重合度。試驗(yàn)證明轉(zhuǎn)速在1 300 r/min時(shí)，重合度由1.18增大至2.06時(shí)，噪音降低3～5 dB。齒輪齒數(shù)應(yīng)大于等于17，然而過(guò)多增加齒數(shù)又會(huì)導(dǎo)致模數(shù)減小，會(huì)導(dǎo)致齒輪彎曲強(qiáng)度不足。

從降低嚙合產(chǎn)生的噪音振幅、改變頻率來(lái)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(lái)的噪音。

傳統(tǒng)的變速器掛擋方式是通過(guò)滑套外花鍵與齒輪內(nèi)花鍵通過(guò)撥叉進(jìn)行，嚙合齒數(shù)有限、嚙合角度較大。掛擋過(guò)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(huì)弱很多。歸根結(jié)底都屬于增加同時(shí)嚙合齒對(duì)數(shù)、有效接觸面積即重合度來(lái)降低噪音。

購(gòu)置加工精度較高的滾齒機(jī)、插齒機(jī)、剃齒機(jī)、珩齒機(jī)、磨齒機(jī)、檢測(cè)儀器等以及增加對(duì)加工設(shè)備的標(biāo)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(guò)磨齒提高齒輪精度等級(jí)的要求，如能否達(dá)到7級(jí)甚至是6級(jí)。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(dòng)。提高結(jié)合面光潔度、齒廓修形、齒頂修緣、齒面進(jìn)行磨齒、齒頂?shù)估?、去尖角毛刺等。提高齒形、齒向、對(duì)齒檢驗(yàn)精度要求等[1-2]。

2 優(yōu)化殼體的設(shè)計(jì)

殼體是變速器的骨架，通過(guò)軸承支撐著輸入、輸出軸、撥叉以及操縱組件，對(duì)形狀、強(qiáng)度、耐磨性、工藝要求比較嚴(yán)格。對(duì)于殼體，一般應(yīng)選擇具有鑄造性好、抗拉強(qiáng)度高（不低于200 MPa）、耐腐蝕性好、切削方便等特點(diǎn)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(duì)于鑄鐵殼體輕很多，同一形狀的鋁殼體質(zhì)量會(huì)減為鑄鐵殼的1/3，但價(jià)格比較貴。相對(duì)于傳動(dòng)系的彎曲共振而言，鋁殼變速器總成相對(duì)于鑄鐵殼的固有振動(dòng)頻率會(huì)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(dòng)頻率，從而降低噪音[3]。

因此，在變速器殼體設(shè)計(jì)時(shí)，從改變振動(dòng)面的固有振動(dòng)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(dòng)軸承具有起動(dòng)靈活、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便、摩擦阻力小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在變速器上應(yīng)用較廣泛。但是，在變速器工作時(shí)，滾動(dòng)軸承相會(huì)帶來(lái)噪音且抗沖擊能力較差、工作壽命不及滑動(dòng)軸承。因此在變速器設(shè)計(jì)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(dòng)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(jià)格比較貴的含Sb、Sn、Cu的合金材料。

4 重視對(duì)潤(rùn)滑油的選擇

變速器內(nèi)的潤(rùn)滑油不僅可以擴(kuò)散齒輪嚙合、同步器工作、軸承負(fù)荷傳送時(shí)產(chǎn)生的熱量，防止零件燒傷，降低摩擦力，提高變速器傳動(dòng)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(shí)吸振降噪的作用。

黏度主要考查不同潤(rùn)滑油性質(zhì)，即油膜的厚度和液體流動(dòng)的內(nèi)摩擦性能。變速器工作時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)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(huì)降低。

機(jī)械變速器潤(rùn)滑油的指標(biāo)包含質(zhì)量級(jí)別和黏度級(jí)別。質(zhì)量級(jí)別按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）的標(biāo)準(zhǔn)，可分為 GL-1、GL-2、GL-3、GL-4、GL-5 等質(zhì)量級(jí)別，變速器內(nèi)的潤(rùn)滑油使用較多的是GL-4（中負(fù)荷）和GL-5（重負(fù)荷）兩類。黏度級(jí)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(rùn)滑油的主要性質(zhì)

然而隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)常用的GL-4油、GL-5油在實(shí)際使用過(guò)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(rùn)滑失效。變速器工作時(shí)附著在齒面上的固體顆粒無(wú)法通過(guò)潤(rùn)滑油被及時(shí)沖刷掉，導(dǎo)致固體顆粒進(jìn)入到齒面引起顆粒磨損、齒面過(guò)度磨損、齒廓發(fā)生變形，進(jìn)而引起振動(dòng)、噪音。

近期大家都在關(guān)注使用低黏度（低于15.76 mm2/s）潤(rùn)滑油，10萬(wàn)、20萬(wàn)公里免維護(hù)，都在與各個(gè)石油公司合作開發(fā)符合自身發(fā)動(dòng)機(jī)、橋、變速器的長(zhǎng)效潤(rùn)滑油。要求該潤(rùn)滑油隨溫度的升高黏度穩(wěn)定性要高，而且不會(huì)隨著磨泥浸入而發(fā)生質(zhì)變。但是必須得嚴(yán)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(jī)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(shí)，齒面磨損、膠合、點(diǎn)蝕帶來(lái)的噪音。國(guó)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(diǎn)的變速器專用潤(rùn)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(lái)連接。擰進(jìn)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(jì)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(dòng)、變載變化放松的效果，從而避免變速器后期因螺栓松動(dòng)造成的振動(dòng)噪音。

6 合理應(yīng)用吸音材料

在變速箱、整車發(fā)動(dòng)機(jī)、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(jī)械振動(dòng)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(lái)表征材料阻尼的大小，普通鋼材損耗因數(shù)達(dá)10-4～10-5，其他金屬為10-4，高阻尼合金材料可達(dá)10-2～10-3。在國(guó)外，高阻尼合金材料普遍應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)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(yǔ)

理論預(yù)判、分析變速器噪音的來(lái)源，在變速器設(shè)計(jì)初合理選著殼體、軸承、潤(rùn)滑油、螺栓等零件，可有效解決變速器噪音大的問(wèn)題。同時(shí)，企業(yè)應(yīng)了解、掌握新型科研技術(shù)及國(guó)外同類行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，這樣對(duì)變速器乃至整車降噪來(lái)說(shuō)或許事半功倍。