李東玲

摘要：齒輪傳遞誤差對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?；诖耍疚闹攸c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

變速器的噪聲問題是困擾變速器產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一。當前，研發(fā)的六速三軸橫置式手動變速器，該變速器存在噪音超標問題，樣機整車試驗發(fā)現(xiàn)，在二檔加速和滑行條件下，駕駛室內(nèi)可聽到變速箱明顯的嘯叫聲，同時發(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)動機聲音所掩蓋，然而，在滑行條件下，變速器的嘯叫聲比加速條件下更嚴重，且嘯叫聲的轉(zhuǎn)速范圍較大。通過齒輪接觸斑點試驗，認為變速器二檔傳動齒輪的實際嚙合狀態(tài)與理想嚙合狀態(tài)存在較大偏差，有必要進行修形設(shè)計。

一、變速器嘯叫機理

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)嚙合中齒對的傳遞誤差產(chǎn)生，其特點是：由工作齒輪產(chǎn)生;明顯的階次特征，與齒數(shù)等相關(guān);當箱體的固有模態(tài)被激勵共振后嘯叫表現(xiàn)得更嚴峻;窄帶激勵。

變速器嘯叫是一個嚴重的汽車質(zhì)量問題，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)頻率移除激勵頻率范圍外;b.減小或消除激勵;c.增大結(jié)構(gòu)阻尼以減小響應幅值;d.改變或消除振動傳遞通道。

對變速器嘯叫問題，很難通過增大結(jié)構(gòu)阻尼和改變振動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，產(chǎn)生嘯叫的激勵源是嚙合齒輪的傳遞誤差（TE）。即減少傳動誤差能有效降低變速器嘯叫，對齒輪修形能很好地控制齒輪傳遞誤差，并且修形成本相對更低。

二、汽車變速器齒輪傳遞誤差

傳遞誤差是描述齒輪傳動不穩(wěn)定性的一個參數(shù)。具體定義如圖1所示，當主動齒輪的理想齒廓與被動齒輪的理想齒廓嚙合時，被動齒輪應由主動齒輪勻速帶動。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，被動齒輪上的實際齒廓將處于B′，主動齒輪齒廓需多轉(zhuǎn)一個角度，使齒廓沿嚙合線繼續(xù)移動一個附加距離TE后，才能與被動齒輪的實際齒廓B′嚙合，此附加距離TE即為傳輸誤差。齒輪嚙合過程中，傳遞誤差呈周期性變化，在汽車變速器的設(shè)計和制造中，通過改變傳動齒輪齒形和齒向，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軟件對變速器齒輪傳動系統(tǒng)和殼體零件進行建模與有限元分析，并根據(jù)相關(guān)約束條件進行仿真裝配，建立完整的變速器系統(tǒng)模型，從而在更符合變速器實際工作狀態(tài)前提下，對各檔位齒輪嚙合的傳遞誤差進行分析。具體步驟歸納為：

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

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

3、運行MASTA系統(tǒng)分析模塊，計算齒輪傳遞誤差。

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

根據(jù)MASTA的分析計算，在原設(shè)計狀態(tài)下，變速器加速工況下的二檔齒輪傳遞誤差不超過2μm。然而，滑行條件下二檔齒輪傳遞誤差為2.6528μm，大于設(shè)計要求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)齒輪接觸斑點試驗結(jié)果，以及為縮短產(chǎn)品開發(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傳動精度的影響。

2、鼓形修整：由于齒輪嚙合時存在一定的邊隙效應，齒面局部區(qū)會出現(xiàn)應力集中而凹陷，齒輪加載后會產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形。因此，可對其齒形及齒向進行微觀鼓形修整，改善齒輪嚙合應力分布狀態(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，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齒輪為分析對象，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)。

以二檔傳動齒輪初始設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，將每組實驗設(shè)計參數(shù)輸入MASTA，計算不同修形參數(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。

由于汽車變速器的實際工況不斷變化，各工況下零件的形變量也會實時變化，這將對變速器的傳動精度產(chǎn)生不同的影響。在設(shè)計過程中，通常以變速器最常用的工況為主要研究對象，同時涵蓋其它工況，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力對比可知，變速器在車輛50%加載扭矩下的加速過程中，傳動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。

通過分析齒輪修形參數(shù)的變化、齒輪傳遞誤差、齒面壓應力之間的關(guān)系，最終確定了二檔傳動齒輪的修形方案：①增加二檔從動齒輪非工作齒面螺旋角;②工作齒面與非工作齒面非對稱修形參數(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證

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

為驗證齒輪修形的實際效果，將改裝后的齒輪安裝在變速器樣機上，并再次進行一輪整車道路試驗。

試驗中，變速器二檔工況的主觀感受是，在加速狀態(tài)下，當車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到近2500r/min的短轉(zhuǎn)速范圍時，可聽到輕微的嘯叫聲，但基本上可被發(fā)動機聲音掩蓋。二檔滑行狀態(tài)下，當車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1600r/min附近的轉(zhuǎn)速范圍時，可聽到嘯叫聲，但不明顯。主觀上，改進的變速器噪聲性能可接受。

在目前的技術(shù)條件下，試驗車輛行駛時，無法直接準確地測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判指標，在研究階段采用階次分析法對變速器各檔位的噪聲性能進行考核，即分析振動頻率與軸頻比值。當變速器工作在某一檔位上時，齒輪的嚙合階次始終不變，根據(jù)車輛發(fā)動機的振動頻率特性和傳動齒輪的設(shè)計參數(shù)，計算出變速器二檔傳動齒輪嚙合的對應階次。

根據(jù)一般人的感知和變速器設(shè)計規(guī)范，變速器傳動齒輪嚙合噪聲的聲壓級小于車輛噪聲的平均聲壓級15dB（A），即認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)傳動齒輪嚙合階次曲線超過評價線外，其余轉(zhuǎn)速范圍均低于車輛平均噪聲降15dB（A）。試驗結(jié)果與主觀感覺一致，認為滿足設(shè)計要求。

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，在不改變原有變速器基本設(shè)計結(jié)構(gòu)的前提下，通過合理的齒輪修形來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

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