高速齒輪嚙合噪聲的改善設計

文/劉憲平 孟慶振 袁 勃（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對汽車的舒適度要求也越來越高。齒輪是汽車減速器動力傳遞的關鍵載體，同時也是噪聲產(chǎn)生的主要來源。嘯叫噪聲一直是齒輪嚙合傳動中較為常見的現(xiàn)象，而引起齒輪嘯叫的因素有很多，齒輪宏觀及微觀參數(shù)、齒輪的加工精度，安裝誤差等等，都會使齒輪在工作中產(chǎn)生嚙合沖擊，導致嚙合平穩(wěn)性差從而產(chǎn)生嘯叫噪聲。齒輪修形設計是解決變速器齒輪嘯叫問題的一個有效的途徑。

一、噪聲產(chǎn)生的原因

齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪傳動存在傳遞誤差，產(chǎn)生激振力，引起傳動機構的振動，振動傳遞到減速器外部結構的過程中產(chǎn)生共振而引發(fā)嘯叫噪聲。傳遞誤差是指當主動輪以恒定角速度轉動時，被動輪的轉速發(fā)生波動而滯后于主動齒輪形成轉速偏差。由于輪齒存在制造誤差、安裝誤差及彈性變形等，傳遞誤差是必然存在的。改善齒輪的嚙合狀況消除嘯叫噪聲，需要通過改進齒輪參數(shù)等方式來達到理想效果。

二、問題描述及分析

減速器要進行臺架試驗及整車性能試驗驗證，主機廠反饋在整車進行試驗驗證時，減速器在整車滑行階段的特定工況時有異響，嘯叫噪聲大，需要專用設備對整車進行測試。技術人員進行整車NVH 測試的結果如下。

1.緩油門加速/全油門加速工況（100～5600r/min）

車內(nèi)噪聲：檔位齒輪階次噪聲在大于5000r/min 時超差，0～500Hz 范圍內(nèi)低階次噪聲貢獻量最大。

近場噪聲：23 階檔位齒輪階次噪聲貢獻量最大（檔位齒輪輸入軸齒數(shù)23）。

2.在檔滑行工況(5000～100r/min）

車內(nèi)噪聲：檔位齒輪階次噪聲在大于4800r/min 時超差，0～500Hz 范圍內(nèi)低階次噪聲貢獻量最大。

近場噪聲：23 階檔位齒輪階次噪聲貢獻量最大（檔位齒輪輸入軸齒數(shù)23）。

通過技術人員的測試及對結果的分析判斷，鎖定嘯叫噪聲的來源為23 齒輸入軸齒輪。由于該減速器匹配的新車型對噪音要求比較高，嘯叫問題整改勢在必行。

三、改進措施

首先考慮通過改變齒輪精度來改善噪聲，將齒輪精度提高一個等級，試制后新減速器總成裝配整車進行效果驗證，測試結果是嘯叫問題雖有所改善，但效果不夠明顯，并未達到理想效果。通過對問題的再次分析，確定噪聲異常的主要原因應該不是齒輪精度，對減速器齒輪進行了第二輪改進，將檔位齒輪宏觀參數(shù)及微觀修形進行了重新設計，并將齒輪副的齒寬加寬，從而增加了齒輪副嚙合重合度，改善嚙合狀態(tài)，以達到降低噪音的目的[1,2]。具體做法是：增加一檔齒輪副的齒輪齒寬，增大齒輪嚙合重合度；調(diào)整齒輪的變位系數(shù)增加全齒高，提高齒頂高系數(shù)；調(diào)整齒輪副修形量，減小傳遞誤差，改善嚙合接觸斑點。改進前后的數(shù)據(jù)對比見表1。

四、改進后效果對比

1.齒輪嚙合重合度、安全系數(shù)及傳遞誤差值

改進后齒輪嚙合重合度及安全系數(shù)都有了很大的提升，具體數(shù)據(jù)見表2。

表1 齒輪改進前后相關參數(shù)對比

表2 改進前后校核結果對比

2.改進前后的齒輪接觸斑點對比

通過軟件計算改進前后主動/被動齒輪接觸斑點，結果見圖1、圖2。由以上軟件計算結果可以看出，設計改進后，接觸斑點狀況明顯的改善，改進前齒向偏載，改進后主要集中在齒寬中部，齒面最大應力減小。

4. 改進前后NVH 測試分析結果對比

改進前后兩次測試的右耳切片圖見圖3，圖中紅線為改進前，綠線為改進后（檔位齒輪加寬）?？梢?，檔位齒輪加寬后，23 階階次噪聲在2500～5000r/min，改善比較明顯，且低于40dB。

改進前后兩次測試的近場噪聲滑行切片圖見圖4，圖中紅線為改進前，綠線為改進后（檔位齒輪加寬）。可見，檔位齒輪加寬后，23 階階次噪聲改善明顯，2500～5000r/min 階次噪聲降低0～15dB。

圖1 改進前主動/被動齒輪接觸斑點

圖2 改進后主動/被動齒輪接觸斑點

圖3 右耳切片對比圖

圖4 近場切片對比圖

改進以后整車主觀評價結果嘯叫消除。測試數(shù)據(jù)對比分析也可以看出，相比于檔位齒輪改進前的情況，改進后齒輪的階次噪聲改善明顯，全轉速段低于40dB，滿足設計要求，達到了預期目標。

五、結語

電動汽車對減速器噪聲要求比較高。如果齒輪參數(shù)設計不合理，導致齒輪的重合度較低會造成嚙合噪聲，僅僅通過調(diào)整齒輪修形和提高齒輪精度不能完全解決噪聲問題。所以在產(chǎn)品設計中，降低噪聲不僅要從齒輪修形方面入手，也要從齒輪參數(shù)設計考慮，設計出滿足客戶使用要求的產(chǎn)品。