基于整機(jī)降噪原則的變速箱殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著人們對出行便捷的需求進(jìn)一步增加，乘用汽車的需求量也越來越大。在此背景下，如何有效的提升汽車綜合性能，就成為駕駛者重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。汽車運(yùn)行的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，汽車噪聲是一個(gè)重要的評價(jià)因素，變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳動則是引發(fā)噪聲的主要來源。文章從噪聲產(chǎn)生的原因出發(fā)，分析噪聲源評價(jià)的基本要求，提出變速箱殼體設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施。

Abstract： With the further increase of people's demand for convenient travel， the demand for passenger cars is also growing. In this context， how to effectively improve the comprehensive performance of the car has become the focus of drivers. Among the performance indexes of automobile operation， automobile noise is an important evaluation factor， and transmission of internal structure of gearbox is the main source of noise. Starting from the causes of noise， this paper analyzes the basic requirements of noise source evaluation， and puts forward the optimization measures of gearbox shell design.

關(guān)鍵詞：變速箱殼體;降噪設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Key words： gearbox housing;noise reduction design;structural optimization

0 ?引言

變速箱是重要的多級齒輪傳動裝置，其作用是改變速度和傳動動力。變速箱的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量直接影響機(jī)器工作的舒適性。汽車運(yùn)行的過程中，傳動箱內(nèi)部的構(gòu)造會互相傳動，引發(fā)噪聲，如果噪聲較大的話，會影響到人們的舒適性，甚至影響到動力性能。從這一點(diǎn)考慮，必須要充分做好變速箱的殼體設(shè)計(jì)工作內(nèi)容，降低噪聲程度，確保汽車運(yùn)行效果。

1 ?變速箱內(nèi)部的噪聲源評價(jià)

分析變速箱的內(nèi)部構(gòu)造可以看出，其出現(xiàn)噪聲主要是有以下幾種原因：其一，變速箱運(yùn)行的過程中，自身的齒輪進(jìn)行咬合，或者其他原因?qū)е碌南潴w振動，進(jìn)而引發(fā)噪聲。其二，變速箱運(yùn)行過程中，傳動軸轉(zhuǎn)動時(shí)相關(guān)零件松動，導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生。其三，生產(chǎn)過程中變速箱之間零件沒有咬合良好，出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致出現(xiàn)敲擊聲。其四，變速箱滾動軸承出現(xiàn)問題，導(dǎo)致噪聲。上述這些噪聲是變速箱運(yùn)行過程中主要的噪聲源，幾種噪聲源可能會同時(shí)存在，并不斷疊加放大。因而就需要充分做好變速箱的課題設(shè)計(jì)工作內(nèi)容，減少內(nèi)部振動等原因?qū)е碌脑肼晢栴}。實(shí)際進(jìn)行評價(jià)的時(shí)候，由駕駛?cè)藛T對箱體的噪聲情況進(jìn)行主觀的感覺評價(jià)，在此基礎(chǔ)上對噪聲效果進(jìn)行專業(yè)評價(jià)，并制定ATZ量表。

噪聲的傳播介質(zhì)分氣體、液體和固體等很多種。變速箱在進(jìn)行噪聲傳播的過程中，傳播介質(zhì)主要靠變速箱的殼體，如果能夠?qū)ο潴w進(jìn)行有效的改造，確保噪聲源的振動和殼體能夠有著一致的震動頻率，則可以有效避免噪聲源強(qiáng)度過大的問題，有效降低變速箱工作時(shí)的噪音。

2 ?變速箱產(chǎn)生噪音的原因

在汽車設(shè)備上，不管是手動換擋還是自動換擋，噪音都是不可避免的故障模式。產(chǎn)生噪音的各種因素中，有齒輪引起的，也有殼體等附件引起的。輪齒之間的碰撞和摩擦?xí)a(chǎn)生噪音，油底殼、氣門室罩、正時(shí)齒輪室罩等結(jié)構(gòu)薄壁件也是噪音的主要來源。

2.1 齒輪碰撞及磨損引起的噪音

齒輪的加工誤差、安裝誤差和間隙傳動誤差都能產(chǎn)生噪音。如，元件磨損或更換時(shí)選用零件精度過造成配合間隙過大;裝配時(shí)齒輪間隙過緊;齒輪齒面金屬剝落，齒牙斷裂裝配錯(cuò)位等。

2.2 軸承碰撞與磨損引起的噪音

殼體軸承孔同軸度、平行度，軸承孔之間的距離等;軸承的振動噪聲、軸承內(nèi)外圈的同軸度;副軸及主軸軸承的軸向間隙過大扭矩變換方向時(shí)會產(chǎn)生卡擦聲等問題。

2.3 變速箱殼體設(shè)計(jì)與布置不完善引起的噪音

變速箱外殼螺栓有松動在使用過程中震動使螺栓松動平時(shí)應(yīng)定時(shí)檢查。手動變速箱中變速桿與變速撥叉凹槽松動。其他部件引起的噪聲有發(fā)動機(jī)怠速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，傳動軸不平衡，萬向節(jié)十字軸磨損或工作角度不相等的問題。

2.4 其他情況引起的噪音

除了上述情況，未正確選用變速箱油、不及時(shí)維修等都能造成發(fā)動機(jī)噪音。品質(zhì)或假冒變速箱油抗溫能力差容易產(chǎn)生氧化，造成油泥和油渣堵塞自動波箱濾網(wǎng)和潤滑油道，造成自動變速箱內(nèi)部元件摩擦增大，可能導(dǎo)致車輛出現(xiàn)異響情況，所以選擇正品自動變速箱油。自動變速箱進(jìn)水后，如果沒有及時(shí)維修，可能會造成漏油、異響等系列問題，加劇維修成本。

3 ?變速箱殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

變速箱屬于簿壁殼體類零件，由兩個(gè)半殼體合體（經(jīng)螺栓連接）組成，模型圖如圖1所示，內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

在變速箱殼體上，除了有大小端面、側(cè)面等多個(gè)平面，還有各種鑄造毛坯自帶的圓弧面和異形面以及各種盲孔、通孔和螺紋孔需要加工。孔和平面的加工過程復(fù)雜，其工藝設(shè)計(jì)順序應(yīng)遵循先面后孔，先粗后精的加工原則。工作時(shí)，兩半變速箱殼體合體，使其內(nèi)部各零件之間保持正確的位置關(guān)系。因此，在零件加工完成后，對零件各類端面的平面度、位置度和同軸度要求比較高。定位工具選用夾緊可靠的專用夾具，切削刀具選用銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐等。為了降低其工作噪音，殼體設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。

3.1 變速箱的殼體面積要合理

設(shè)計(jì)的過程中，如果出現(xiàn)了殼體的總表面積過大的情況，就會導(dǎo)致噪聲在殼體的振動條件下表現(xiàn)的更加明顯，進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部噪聲的發(fā)生。如果在較小的平面區(qū)域需求的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然有效降低了噪聲振動幅度，強(qiáng)化了殼體強(qiáng)度，但對變速箱內(nèi)部元件的適配、殼體散熱等工作不利。因此，變速箱殼體設(shè)計(jì)的過程中，要合理估算殼體的面積，避免殼體過大或過小，確保壁厚的均勻性。

3.2 殼體壁厚設(shè)計(jì)要合理

設(shè)計(jì)殼體的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)確保殼體的壁厚均勻且厚度適中，如果壁薄則會導(dǎo)致成型的時(shí)候鋁液填充不良，進(jìn)而出現(xiàn)成型困難或者其他問題，導(dǎo)致難以投入到實(shí)際應(yīng)用中，增加返廠率，或者實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候殼體的噪聲性能過低，很容易就產(chǎn)生大量的噪聲。鑄件厚度增加的話，抗拉強(qiáng)度和延伸率等都會有所降低，與此同時(shí)金屬液體凝固的時(shí)間也會相對較長，這樣一來很容易導(dǎo)致壁厚處的晶粒相對更大，這樣的不均勻分布，就會導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用的過程中產(chǎn)生大量針孔，導(dǎo)致其噪聲性質(zhì)顯著降低，甚至出現(xiàn)縮孔和裂紋之類的問題。相對壁厚較薄的地方因?yàn)榻M織均勻，晶粒細(xì)小，會表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能。因而在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中就應(yīng)當(dāng)盡量的避免壁厚過高的情況，盡量使得殼體整體有著均勻的薄厚，避免厚大部位的出現(xiàn)。而轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，很容易出現(xiàn)壁厚過厚的問題，導(dǎo)致均勻性、抗震能力和噪聲傳播性能顯著較差，因而在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)采取針對性措施，通常來說實(shí)際設(shè)計(jì)過程中不能有銳角出現(xiàn)，拐彎處應(yīng)當(dāng)是有著較大的弧度，厚薄如果有差異，也應(yīng)當(dāng)在較大的拐角中緩慢過渡。

3.3 殼體加強(qiáng)筋布置要合理

變速箱殼體有著重要的應(yīng)用意義，是整個(gè)變速箱結(jié)構(gòu)重量的唯一承載結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，殼體內(nèi)的傳動裝置和操縱機(jī)構(gòu)等也是依托殼體的，因而變速箱的殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。實(shí)際進(jìn)行變速箱殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的過程中，最常用的方法就是使用表面加強(qiáng)筋，在提升強(qiáng)度的同時(shí)讓散熱工作也能取得很好的效果。加強(qiáng)筋的應(yīng)用可以一定程度上降低殼體對于噪聲的傳播作用。針對這一情況，在實(shí)際進(jìn)行變速箱殼體設(shè)計(jì)的過程中，要盡量使加強(qiáng)筋的方向和主要應(yīng)力方向一致，在此基礎(chǔ)上支撐臂上的加強(qiáng)筋應(yīng)當(dāng)以軸承口為原點(diǎn)向周圍進(jìn)行輻射，必要的時(shí)候使用大曲率半徑的加強(qiáng)筋來對縱壁進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)筋之間保留一些間隔，也可以確保整體的傳聲特性能夠得到改善。實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要充分做好預(yù)估，確保殼體整體的降噪性能和運(yùn)行的有效性。

變速箱殼體的過程中，如果壁厚強(qiáng)度等難以滿足使用條件的話，就需要使用加強(qiáng)筋來進(jìn)行加強(qiáng)，其作用是確保零件剛性強(qiáng)度的同時(shí)，改善變速箱殼體整體性質(zhì)，避免工件變形之類的問題。通常進(jìn)行加強(qiáng)筋布置的時(shí)候，需要將加強(qiáng)筋的寬度控制在0.5-0.75倍壁厚附近，高度不得低于壁厚且不得高于五倍壁厚。加強(qiáng)筋設(shè)置的最終數(shù)量和位置都會一定程度上決定殼體整體的強(qiáng)度剛度。如果設(shè)計(jì)的過程中，同時(shí)應(yīng)用了縱向加強(qiáng)筋和橫向加強(qiáng)筋，縱向橫向交叉的時(shí)候就會出現(xiàn)十分厚的截面，這樣的截面對于噪聲傳播性質(zhì)有著十分不利的影響，因而需要在厚截面處設(shè)置一個(gè)尺寸符合周圍實(shí)際情況的芯銷，后續(xù)運(yùn)行的過程中相當(dāng)于加上了一個(gè)預(yù)鑄孔以確保壁厚能夠滿足性質(zhì)需求。通常來說需要保持加強(qiáng)筋之間間距維持在壁厚5倍附近，如果設(shè)計(jì)的變速箱殼體厚度4毫米，則應(yīng)當(dāng)每隔20毫米的位置就設(shè)置一條加強(qiáng)筋。

加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)過程中，其方向和拔模角度有著重要的意義，通常都是需要和周圍的結(jié)構(gòu)有著一致的方向，例如如果周圍存在側(cè)面凸臺或者螺栓等，則需要和其保持一致的角度和方向。否則的話，抽芯部位會進(jìn)一步增加，導(dǎo)致應(yīng)用效果降低。合理的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用，不僅可以有效的改善變速箱殼體的整體應(yīng)用效果，提高強(qiáng)度剛度，提高噪聲強(qiáng)度，與此同時(shí)還能夠一定程度上降低制造成本，有著重要的應(yīng)用意義。

3.4 零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要合理

螺栓如果不能夠有效布置，可能會導(dǎo)致強(qiáng)度和密封方面出現(xiàn)嚴(yán)重問題，而密封出現(xiàn)問題就會導(dǎo)致變速箱運(yùn)行的過程中產(chǎn)生噪聲。在齒輪加工過程中，除測量齒輪的的齒形、齒向、徑跳等參數(shù)外，還會對齒輪的噪音進(jìn)行檢測或者配對使用。實(shí)際進(jìn)行殼體設(shè)計(jì)的過程中，需要充分考慮螺栓布置的位置和兩孔之間的距離。螺栓之間的連線稱為壓力線，應(yīng)當(dāng)在結(jié)合面上，最好是在其中心線當(dāng)中。實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中為了能夠確保螺栓具有充分的密封性，需要確保法蘭的寬度限制在五毫米之內(nèi)，與此同時(shí)螺栓周圍結(jié)合法蘭的寬度也控制在三毫米以內(nèi)，螺栓周圍結(jié)合法蘭的寬度控制在三毫米以上，必要的情況下可以是最小值的1.5倍左右。

變速箱內(nèi)的噪聲源在傳播噪聲的時(shí)候，變速箱殼體是主要的傳播途徑，如果其也跟隨產(chǎn)生振動，則會強(qiáng)化噪聲，導(dǎo)致噪聲較大的情況。實(shí)際進(jìn)行變速箱的殼體設(shè)計(jì)的過程中，需要兼顧其強(qiáng)度和降噪性能，確保內(nèi)部裝置的運(yùn)行能夠得到保障的基礎(chǔ)上，提高人們的舒適度。

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作者簡介：房妤（1984-），女，四川人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及機(jī)械加工技術(shù)。