汽車變速器異響實例分析及控制

黃興，宋樹森

1.柳州上汽汽車變速器有限公司 廣西柳州 545006 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545006

變速器是整車傳動系統(tǒng)里最重要的部件之一，變速器異響會直接影響車輛運行時的聲音品質(zhì)，給駕乘人員帶來最直接、最真切的不良體驗。人們往往從汽車的運行聲音去判斷一輛汽車的設(shè)計制造水平，如果不能及時發(fā)現(xiàn)異響原因所在，則很可能會引起變速器新的問題。

異響現(xiàn)象描述及案例分析

汽車手動變速器是一個復(fù)雜的齒輪傳動機構(gòu)，包含齒輪、齒輪軸、軸承、同步器、齒環(huán)、換擋機構(gòu)及箱體等零部件。當(dāng)存在設(shè)計缺陷、制造缺陷、裝配誤差、異物及外部載荷等因素時，變速器工作會出現(xiàn)異常振動和磨損，并伴隨著異響出現(xiàn)。

變速器總成異響可分為四大類：齒輪異響、軸承配合異響、干涉異響和其他因素造成的異響。下面將對各類典型異響進行舉例分析。

1.齒輪異響

（1）齒輪M值設(shè)計不合理造成異響 前驅(qū)某型號變速器在裝配時，總成加載校驗發(fā)現(xiàn)大部分變速器前進擋異響，尤其是低速擋時異響最為明顯。

解決方案第一步，首先對噪聲進行分析，發(fā)現(xiàn)總成產(chǎn)生的異響表現(xiàn)形式類似于嘯叫聲，因此判斷問題的根源在齒輪參數(shù)上。第二步，通過測量合格總成與異響總成的齒輪參數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)不合格總成的齒輪M值均小于合格總成。第三步，設(shè)計整改：輸入軸一擋齒M值由從動一擋齒M值由倒擋齒輪M值由改為主動一擋齒、從動一擋齒、倒擋齒輪M值下調(diào)之后，新零件裝配的總成校驗異響不再復(fù)現(xiàn)。

小結(jié)：齒輪M值設(shè)計不合理造成異響，是比較典型的齒輪振動引起的異響。齒輪在相互嚙合的時候會出現(xiàn)較多的摩擦與沖擊，在實際中，齒輪難以避免會出現(xiàn)加工偏差與裝配誤差。在有載荷的情況下，齒輪還有可能出現(xiàn)變形。齒輪參數(shù)設(shè)置不合理，會加劇齒輪的不穩(wěn)定運行狀態(tài)，進而引起異響。

（2）齒輪加工精度超差造成異響 正常加工合格的齒輪，其齒頂?shù)估?、齒端倒棱都相等或者相差不大。當(dāng)肉眼看得出兩邊倒棱相差很大或者是只有一邊有倒棱、另一邊沒有倒棱時，這個齒輪的齒輪精度可能超差了（見圖1）。

齒輪副正確嚙合時，其齒面印痕應(yīng)該是均勻的平行四邊形。當(dāng)一對齒輪副中的一個齒輪出現(xiàn)異常時，齒輪的嚙合印痕就會與正常的不同，尤其是經(jīng)過加載后，齒輪嚙合的印痕尤為明顯。當(dāng)嚙合的印痕異常發(fā)亮、發(fā)黑、條紋或者出現(xiàn)不均勻的印痕時，說明這對齒輪副中肯定有一個齒輪出現(xiàn)了問題（見圖2）。

小結(jié)：齒輪加工精度超差引起的異響，大多能夠通過仔細的目視檢查來發(fā)現(xiàn)齒輪齒面、倒角等外觀與合格總成有差異。當(dāng)初步判定故障齒輪后，可以通過測量齒輪精度來進一步確認故障齒輪，鎖定問題所在。

2.軸承異響

（1）滾針軸承過盈配合造成異響 前驅(qū)某型號變速器在加載校驗三、四、五、六擋時，變速器會發(fā)出“嗡嗡嗡”的異響聲。

解決方案第一步，首先對異響表現(xiàn)形式進行分析，發(fā)現(xiàn)總成產(chǎn)生的異響隨著轉(zhuǎn)速的提高而變得明顯，因此判斷問題的根源在于齒輪軸承上。

第二步，對變速器拆解，檢查旋轉(zhuǎn)軸承與齒軸時，從動一擋齒輪旋轉(zhuǎn)輕微卡滯，其內(nèi)孔有異常刮痕，輸出軸襯套軸肩處有臺階，如圖3所示。

第三步，故障件測量（見表1），發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)（襯套壓入輸出軸后，測量其圓柱度，數(shù)值較大），根據(jù)異常數(shù)據(jù)和換件試驗發(fā)現(xiàn)異響與輸出軸有必然關(guān)系，再進一步檢查后，確定異響的原因是壓裝一擋襯套時，輸出軸臺階將襯套撐大，襯套呈錐狀，導(dǎo)致裝入滾針軸承與從動一擋齒后兩者處于過盈狀態(tài)，從而出現(xiàn)高速擋異響。新零件重點去除輸出軸臺階后，異響故障不再復(fù)現(xiàn)。

（2）滾針軸承質(zhì)量缺陷造成異響 滾針彎曲、保持架變形或斷裂都會導(dǎo)致滾針軸承異響（見圖4）。

表1 異響零件測量 （單位：mm）

（3）軸承異物造成異響 軸承異物造成異響的聲音表現(xiàn)形式基本一致為“沙沙沙”的聲音，且擋位越高，聲音越明顯。常見的軸承異物有鋼丸和鐵屑，故障總成的軸承外圈內(nèi)壁、內(nèi)圈滾柱上易發(fā)現(xiàn)整圈連續(xù)點狀痕跡。如SC16某型號變速器上的軸承，在顯微鏡放大150倍下檢查（見圖5），可見軸承內(nèi)圈滾道工作面存在圓周劃痕，其中1位置劃痕比較嚴重，這些圓周劃痕在顯微鏡下觀察呈等距抖動間距的震痕狀態(tài)。1位置圓形等距抖動間距壓痕明顯，說明這粒雜質(zhì)比較大，且剛好在滾道面與小端油溝邊緣位置，因此產(chǎn)生凹坑，邊緣有凸起。通過泰勒輪廓儀檢測油溝邊緣凸出點，發(fā)現(xiàn)凸起4.64μm。

從碾壓圓形分析，碾壓痕是變速器在工作時，各齒輪磨合過程或變速器箱體內(nèi)本身存在硬質(zhì)雜質(zhì)，隨著潤滑油流動嵌在保持架縫隙中，與內(nèi)圈滾道、滾子表面接觸碾壓產(chǎn)生。變速器內(nèi)較硬的雜質(zhì)，一般為細小的鋼丸。

3.梅角干涉異響

后驅(qū)某型號變速器在進行加載校驗時發(fā)現(xiàn)一、二、三、四擋有較小聲類似毛頭異響聲，在進行空載時發(fā)現(xiàn)二、四、五、六擋齒輪呱啦異響。對故障件進行拆解，發(fā)現(xiàn)二擋齒結(jié)合齒梅角異常磨損。但對齒輪、同步環(huán)、軸承等零件及尺寸排查發(fā)現(xiàn)無異常。于是將正?？偝珊凸收峡偝傻腻F軸承壓板做平面度測量（見圖6），結(jié)果發(fā)現(xiàn)故障件（軸承板）的平面度為0.232 4mm，正常件的平面度為0.049 8mm，工藝要求為0.02mm，由此可推斷故障件的平面度要求不合格。

通過進一步的換件試驗，最終分析得出結(jié)論：錐軸承壓板變形后輸出軸軸向竄動，導(dǎo)致二擋主動齒與從動二擋齒梅角干涉，引起異響。針對該異響問題，優(yōu)化軸承壓板的熱加工工藝，提高其硬度，制定措施后異響不再復(fù)現(xiàn)。

4.其他因素造成的異響

耐磨隔圈強度不足造成異響前驅(qū)某型號變速器在加載校驗過程中，曾大概率出現(xiàn)類似金屬干涉的尖銳刺耳的異響聲。針對該問題，對有異響的變速器總成進行拆解，發(fā)現(xiàn)僅耐磨隔圈凸鍵有磨損。經(jīng)分析，在倒擋加載后，一齒耐磨隔圈受一擋從動齒擠壓摩擦的影響，會有徑向竄動情況發(fā)生，使耐磨隔圈與輸出軸花鍵接觸長度變短。在潤滑不足時，情況更加惡化，造成耐磨隔圈凸鍵限位失效，產(chǎn)生異響。通過有限元分析（見圖7），進一步證明單牙耐磨隔圈強度不足，磨損位置為耐磨隔圈凸鍵與輸出軸花鍵接觸位置，分析異響來源于耐磨隔圈（見圖8）。

分析出原因后，設(shè)計由單凸鍵的耐磨隔圈改為全凸鍵耐磨隔圈（見圖9）。經(jīng)過該優(yōu)化，倒擋加載校驗異響消除，問題得到了解決。

異響的分析及控制

1.分析異響來源

解決異響問題，第一步必須先找到異響來源。變速器噪聲由兩部分構(gòu)成：一個是固體聲，另一個是氣體聲。變速器動力傳導(dǎo)過程中出現(xiàn)振動，在經(jīng)過齒輪副、軸、軸承傳至外部箱體，導(dǎo)致箱體振動朝著空氣散射的噪聲叫做固體噪聲；變速器箱體中的齒輪、軸與軸承的振動導(dǎo)致出現(xiàn)噪聲，同時齒輪攪油聲、齒輪運動擾動空氣發(fā)出聲響，齒輪相互嚙合出現(xiàn)的摩擦聲等，經(jīng)過變速器箱體內(nèi)的氣腔導(dǎo)至箱體外層，繼而傳播到空氣中產(chǎn)生的噪聲稱作氣體聲。判斷變速器的異響來源，可沿著這兩種聲音的路徑去分析。

從異響的聲音類型上可以大致判斷異響的問題類型。例如嘯叫聲、尖叫聲大部分是齒輪異響；沙沙聲很有可能是軸承異響；只有正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)有異響的，可以排除軸承異響，基本上可以確定為齒輪異響；出現(xiàn)單擋異響時，基本上就是那對齒輪副中的某一個齒輪出現(xiàn)了問題；出現(xiàn)尖銳的或金屬摩擦的、非連續(xù)的異響很有可能是某個零件強度不足，產(chǎn)生了干涉。判斷方法，可用表2總結(jié)。

分析異響的零件，還可以通過目視或手摸零件來判斷，如：

1）從齒輪的倒棱判斷故障齒輪。

2）從齒面的嚙合印痕判斷異響。

3）觀察各種零件是否有異常磨損。

4）手摸零件表面判斷是否有異常。

表2 變速器內(nèi)部異響聲音判斷

2.異響的預(yù)防與控制

預(yù)防和控制異響，可以從以下幾個方面來進行：

1）降低基節(jié)誤差、避免產(chǎn)生齒面中凹齒形，提高接觸精度，增加嚙合度，合理設(shè)計側(cè)隙，優(yōu)化齒形齒向。

2）軸上與滾針軸承配合的區(qū)域，提高其圓柱度及降低表面粗糙度。

3）采用有密封蓋的軸承，避免異物進入軸承造成異響。

4）提高零件及油品清潔度，減少鋼丸等雜質(zhì)進入變速器箱體中。

5）在不產(chǎn)生干涉的情況下，盡量減小同步環(huán)在齒轂中的間隙，減小同步環(huán)的晃動量，或者采用同步器環(huán)簧，避免同步環(huán)與同步器碰撞發(fā)出異響。

6）提高軸承壓板、耐磨隔圈、卡簧等零件的強度，避免干涉及齒輪的軸向竄動。

7）改善潤滑，避免干磨，有隔圈結(jié)構(gòu)建議使用平面推力軸承。

8）降低箱體機構(gòu)的柔度、增加箱體外表面的表面粗糙度，降低聲音傳遞過程中的能量，增大箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率。

結(jié)語

變速器內(nèi)部齒輪異響主要由M值和加工精度超差引起；軸承異響主要由滾針軸承過盈配合，軸承制造質(zhì)量和軸承異物造成；干涉異響主要由梅角干涉引起；其他異響主要由耐磨圈強度不足引起。提高制造和裝配的質(zhì)量和精度，提高關(guān)鍵件的強度和固有頻率等措施，可以有效預(yù)防和控制上述異響問題。