低噪聲客車橋優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

范春利，史成淼，王林國(guó)，李慶臣，趙文華，徐偉健，保萬(wàn)全，袁照丹

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

噪聲是環(huán)境污染源之一，作為人們出行主要交通工具的客車，其驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)噪聲是影響客車NVH 性能的重要因素。為了有效的降低驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)噪聲，在分析螺旋錐齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素的基礎(chǔ)上對(duì)某型客車橋主減速器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。

1 弧齒錐齒輪噪聲機(jī)理分析

振幅和頻率是聲音的兩個(gè)特性，通常聲音標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到85dB (A)，頻率在3000Hz 的時(shí)候即稱為噪聲?？蛙嚇螨X輪傳動(dòng)具有周期性嚙合的特性，振動(dòng)不可避免。在齒輪嚙合過(guò)程中，齒面間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦力和因制造誤差、安裝誤差等造成的嚙合沖力是齒輪產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，而齒輪的振動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)是誘發(fā)齒輪傳動(dòng)噪聲的主要原因[1]。通過(guò)對(duì)主減速器總成平面進(jìn)行聲強(qiáng)掃描獲得聲強(qiáng)級(jí)分布等高圖，見圖1，由掃描結(jié)果得出，主減速器總成工作時(shí)，一般狀態(tài)下，齒輪副嚙合噪聲和主動(dòng)錐齒輪支承軸承滾動(dòng)噪聲是總成噪聲的主要貢獻(xiàn)源[2]。

2 影響齒輪傳動(dòng)噪聲的因素分析

本文從齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)、齒輪加工精度以及齒輪裝配調(diào)整三個(gè)方面進(jìn)行研究，通過(guò)合理的選擇齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)、加工精度以及正確的裝配調(diào)整以提高齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，降低傳動(dòng)噪聲。

圖1 聲強(qiáng)級(jí)分布等高圖

2.1 重合度的影響

對(duì)于主從動(dòng)錐齒輪齒輪副，實(shí)際重合度隨載荷的變化而變化，而影響回轉(zhuǎn)誤差的恰是實(shí)際重合度。當(dāng)重合度小于2時(shí)，隨著重合度增大，振動(dòng)和噪聲將降低；當(dāng)重合度等于2時(shí)，振動(dòng)和噪聲急劇降低，這是因?yàn)閹缀鯖](méi)有嚙合沖擊；當(dāng)重合度大于2 時(shí)，振動(dòng)和噪聲呈下降趨勢(shì)，這主要與制造精度有關(guān)[3]。

在齒輪參數(shù)選取過(guò)程中可以通過(guò)Gleason 軟件對(duì)齒輪進(jìn)行LTCA 分析，在不同的載荷下分析其嚙合性能，進(jìn)行加工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在中輕載荷下（往往是高速）應(yīng)保證其實(shí)際重合度大于2，不發(fā)生邊緣接觸，以控制其噪聲和振動(dòng)。在滿負(fù)荷下，重合度一般都能達(dá)到要求，應(yīng)控制其邊緣接觸的程度和齒頂承受的載荷，防止彎曲強(qiáng)度不足而發(fā)生斷齒[4]。

2.2 壓力角的影響[5]

大壓力角可以增加輪齒強(qiáng)度，減小齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，但對(duì)于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)小，并使齒輪的端面重疊系數(shù)下降，所以在中輕負(fù)荷下工作的齒輪中一般采用較小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。對(duì)于汽車驅(qū)動(dòng)橋主減速器螺旋錐齒輪而言，對(duì)齒輪強(qiáng)度要求較高的載重汽車通常選用22°30'的平均壓力角。根據(jù)客車橋?qū)X輪的強(qiáng)度和傳動(dòng)噪聲的要求，其壓力角可適當(dāng)減小。

2.3 齒輪精度的影響

弧齒錐齒輪的振動(dòng)與噪聲對(duì)齒輪精度非常敏感，降低齒輪傳動(dòng)噪聲的首要途徑就是提高齒輪精度。齒輪精度越低，誤差越大，特別是過(guò)大的齒形、齒向誤差和齒距誤差會(huì)造成極壞的接觸區(qū)，導(dǎo)致噪聲極高；幾何、運(yùn)動(dòng)偏心在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)形成噪聲；齒面粗糙度越大，嚙合噪聲也越高[6]。在試驗(yàn)中，一對(duì)轉(zhuǎn)速為1000r/m 的齒輪僅將齒形誤差從0.017mm 降到0.005mm 時(shí)，測(cè)的噪聲降低8 dB(A)。通?？蛙囼?qū)動(dòng)橋齒輪精度要求7 級(jí)精度，目的是在保證較低傳動(dòng)噪聲的前提下盡量降低生產(chǎn)成本。

2.4 接觸區(qū)的影響

齒輪接觸區(qū)有三個(gè)要素組成：接觸區(qū)的形狀、位置和大小。接觸區(qū)的理想形狀應(yīng)為橢圓形，而現(xiàn)生產(chǎn)中通常會(huì)出現(xiàn)橋形、線形等形狀的接觸區(qū)，對(duì)齒輪受力以及傳動(dòng)噪聲都有很壞的影響；接觸區(qū)的理想位置應(yīng)該是輕微載荷下偏小端，當(dāng)隨著載荷的增大，接觸區(qū)的位置會(huì)向齒寬中點(diǎn)移動(dòng)，如果接觸區(qū)位置在輕微載荷下偏大端，則會(huì)隨著載荷的增大而跑出齒面，造成不正常的磨損，發(fā)出尖嘯聲；接觸區(qū)的大小直接影響到齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，接觸區(qū)太短會(huì)產(chǎn)生局部接觸，造成較大的沖擊，使噪聲更大。通常在齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)、齒輪熱處理前都能保證較好的接觸區(qū)形狀、位置和大小，但由于熱處理變形的存在，熱處理后的接觸區(qū)的形狀、位置和大小均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)熱后齒輪進(jìn)行磨齒或配對(duì)研齒。

2.5 齒側(cè)間隙的影響

雙曲面齒輪加工具有一定的側(cè)隙量，這個(gè)側(cè)隙是根據(jù)齒距和工作條件而定的。如果齒側(cè)間隙太小，就會(huì)增加齒間潤(rùn)滑油的壓力，引起彈性震動(dòng)，甚至破壞齒面的油膜，還能引起齒側(cè)的干涉。因此在Gleason 推薦的范圍內(nèi)，選用偏大的齒側(cè)間隙對(duì)降低齒輪噪音是有利的[7]。

2.6 軸承精度的影響

軸承精度是影響平穩(wěn)傳動(dòng)的一個(gè)重要因素，而軸承振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度是軸承精度的兩個(gè)重要體現(xiàn)。筆者曾檢測(cè)過(guò)不同廠家各13 套9278/9220 圓錐滾子軸承的振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度，結(jié)果如下：

表1 不同廠家9278/9220 圓錐滾子軸承的振動(dòng)速度和 振動(dòng)加速度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比檢測(cè)結(jié)果可以看出，A、B 和C 三家軸承的振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度要遠(yuǎn)大于D 公司，并且離散度較大，質(zhì)量不夠穩(wěn)定。對(duì)噪聲要求較高的客車橋而言，軸承要選擇質(zhì)量穩(wěn)定、振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度較小的產(chǎn)品，尤其是轉(zhuǎn)速較高的主動(dòng)錐齒輪的支承軸承。

3 某型客車橋優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

通過(guò)以上對(duì)影響齒輪傳動(dòng)噪聲主要因素的研究分析，針對(duì)某型客車橋低噪聲的設(shè)計(jì)要求，在原平臺(tái)產(chǎn)品上做了優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。

3.1 齒輪主參數(shù)的選取

通過(guò)計(jì)算，在盡量保證齒輪加工效率和低成本的前提下，適當(dāng)減小了壓力角、調(diào)整了螺旋角，保證大重疊系數(shù)。優(yōu)化前后的齒輪主參數(shù)如下表所示：

表2 優(yōu)化前后齒輪主參數(shù)

通過(guò)Gleason 軟件對(duì)上述主參數(shù)齒輪分別進(jìn)行TCA (Tooth Contact Analysis)分析，結(jié)果如下：

表3 Gleason 軟件對(duì)主參數(shù)齒輪TCA 分析結(jié)果

從模擬結(jié)果可看出，優(yōu)化前接觸區(qū)以及接觸路徑均不規(guī)則，在傳動(dòng)過(guò)程中易產(chǎn)生沖擊、硬接觸等，對(duì)傳動(dòng)的平穩(wěn)性是不利的；而優(yōu)化后的菱形接觸區(qū)以及對(duì)角線接觸路徑使齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn)，對(duì)降低齒輪嚙合噪聲是非常有利的。

針對(duì)以上分析結(jié)果，對(duì)優(yōu)化前后的產(chǎn)品進(jìn)行了齒輪副LTCA(Load Tooth Contact Analysis)分析，齒輪副LTCA 分析能夠更真實(shí)的模擬計(jì)算在不同載荷下的接觸區(qū)、接觸路徑以及傳動(dòng)誤差振幅，齒輪副正反車面的模擬計(jì)算結(jié)果見圖2 和圖3。

圖2 齒輪副正車面LTCA 分析結(jié)果及誤差曲線振幅對(duì)比曲線

圖3 齒輪副反車面LTCA 分析結(jié)果及誤差曲線振幅對(duì)比曲線

從以上模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的齒輪副正反車面的接觸區(qū)、接觸路徑在各載荷情況下均好于優(yōu)化前齒輪副，尤其是在中輕載荷情況下；并且優(yōu)化后齒輪副的傳動(dòng)誤差振幅在各載荷下比原齒輪副降低了很多（正反車面均降低了60%左右），對(duì)降低嚙合噪聲效果明顯。

3.2 軸承選擇

根據(jù)前文分析，采用了D 公司軸承，以降低軸承精度對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)噪聲的影響。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的某型客車橋在不同轉(zhuǎn)速不同載荷下做了噪聲試驗(yàn)，并于與平臺(tái)產(chǎn)品中研齒、磨齒兩種工藝的樣橋做了對(duì)比，見圖4 和圖5。

圖4 空載噪聲

圖5 滿載噪聲

從以上的對(duì)比結(jié)果可以看出，在相同載荷、相同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的客車橋比平臺(tái)產(chǎn)品中研齒工藝的樣橋噪聲低約8 dB(A)、比磨齒工藝的樣橋噪聲低約1.6 dB(A)。由此可以看出，通過(guò)優(yōu)化齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)提高齒輪嚙合的重合度，從而提高傳動(dòng)的平順性、降低傳動(dòng)噪聲是行之有效的。

4 結(jié)論

經(jīng)本文研究可以得出：通過(guò)增加齒數(shù)有效的增大重疊系數(shù)，保證重疊系數(shù)在2.2 以上，同時(shí)選擇振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度較小且離散度較小的軸承，對(duì)降低客車橋傳動(dòng)噪聲效果顯著。