汽車變速器齒輪傳遞誤差的研究及優(yōu)化

齒輪傳遞誤差對汽車變速器的使用性能及使用壽命起著決定性的作用，尤其反映在變速器使用過程中的ＮＶＨ表現(xiàn)上。本文通過運(yùn)用ＭＡＳＴＡ軟件計(jì)算，臺架及整車試驗(yàn)，對汽車變速器齒輪的傳遞誤差進(jìn)行了分析及優(yōu)化，得出了提升變速器總成ＮＶＨ性能的方法。

變速器的噪聲問題是困擾變速器產(chǎn)品質(zhì)量問題的主要因素之一，目前正開發(fā)一款六速三軸橫置式手動變速器存在噪聲超標(biāo)問題，在其樣機(jī)整車試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在二檔加速及滑行工況下，駕駛室內(nèi)能聽見變速器發(fā)出比較明顯的嘯叫聲（滑行工況比加速工況更為嚴(yán)重），同時發(fā)現(xiàn)，變速器在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)加速工況下的嘯叫聲基本可被發(fā)動機(jī)聲音掩蓋，但是在滑行工況下，變速器發(fā)出的嘯叫聲比在加速工況下嚴(yán)重，且嘯叫聲存在的轉(zhuǎn)速區(qū)間較大。通過齒輪接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)，認(rèn)為該變速器二檔傳動齒輪實(shí)際嚙合狀態(tài)與理想嚙合狀態(tài)存在較大偏差，需對其進(jìn)行修形設(shè)計(jì)。

１、傳遞誤差

傳遞誤差是用來描述齒輪傳動不平穩(wěn)性的參數(shù)。具體定義如圖１ 所示，當(dāng)主動齒輪理想齒廓Ａ和被動齒輪理想齒廓Ｂ相嚙合時，被動齒輪應(yīng)可以被主動輪勻速帶動。但由于嚙合的齒輪副存在制造、裝配誤差，齒面受載產(chǎn)生彈性變形等諸多原因，被動齒輪上實(shí)際齒廓會在 Ｂ’處，主動齒輪齒廓 Ａ需多轉(zhuǎn)一個角度δ，使齒廓沿嚙合線繼續(xù)移動一個附加距離ＴＥ之后，才能夠和被動齒輪的實(shí)際齒廓Ｂ’相嚙合，這個附加距離 ＴＥ 就是傳遞誤差。傳遞誤差在齒輪嚙合過程中是呈周期性變化的，在汽車變速器設(shè)計(jì)及制造過程中，可通過對傳動齒輪齒形、齒向進(jìn)行修形來減小齒輪副的傳遞誤差。




２齒輪傳遞誤差分析方法

本次研究中，使用ＭＡＳＴＡ、ＵＧ、ＡＮＳＹＳ軟件對變速器齒輪傳動系統(tǒng)及殼體零件進(jìn)行建模及有限元分析，并且根據(jù)相關(guān)約束條件將其模擬裝配，建立完整的變速器系統(tǒng)模型，使能夠在更符合變速器實(shí)際工作狀態(tài)的前提下分析各檔位齒輪嚙合的傳遞誤差。具體步驟可歸納為：
（１）在 ＵＧ 軟件中對變速器殼體進(jìn)行建模，通過ＩＧＥＳ文件格式傳輸至 ＡＮＳＹＳ，以及通過ＳＴＬ 文件格式傳輸給ＭＡＳＴＡ；
（２）使用 ＡＮＳＹＳ 的有限元分析功能對模型子
結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，獲得殼體零件的凝聚節(jié)點(diǎn)剛度矩陣以及凝聚節(jié)點(diǎn)位置信息，以 ＬＩＳ 及 ＴＸＴ 文件格式傳輸給ＭＡＳＴＡ；
（３）運(yùn)行 ＭＡＳＴＡ 系統(tǒng)分析模塊，計(jì)算齒輪傳遞誤差。
圖２所示為本文所研究變速器在ＭＡＳＴＡ軟件中建立的齒輪傳動系統(tǒng)三維模型，設(shè)計(jì)要求為在各檔位工作狀態(tài)下，傳動齒輪的傳遞誤差小于２μｍ。



經(jīng)ＭＡＳＴＡ分析計(jì)算，原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，變速器加速工況下二檔齒輪傳遞誤差未超過２μｍ，但是，滑行工況下二檔齒輪傳遞誤差為２．６５２８μｍ，大于設(shè)計(jì)要求２μｍ，計(jì)算結(jié)果如表１及圖３、圖４所示：




３變速器齒輪修形方案研究

因造成齒輪傳遞誤差因素的多樣性及復(fù)雜性，不可能以單一的修形方式得到有效解決［３］，因此必須針對各種因素制定修形策略。根據(jù)齒輪接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及基于為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，將原有齒輪加工刀具進(jìn)行修磨后可再用于樣件加工的基礎(chǔ)上，本次設(shè)計(jì)中，主要使用到的齒輪修形工藝及依據(jù)為：
（１）齒頂修緣：齒頂修緣可在不削減輪齒強(qiáng)度的前提下，減少齒輪嚙合干涉，可明顯減少齒面嚙合及分離時對傳動精度所造成的影響；
（２）鼓形修整：由于齒輪嚙合時會產(chǎn)生一定的邊隙效應(yīng)，使齒面上局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生凹陷，并且齒輪在受載后會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形，因此，可對其齒形和齒向進(jìn)行微觀的鼓形修整，改善齒輪嚙合應(yīng)力分布狀態(tài)；
（３）螺旋角修整：增大齒面齒螺旋角可使齒面重

合度及剛性得到提升，但由于螺旋角的可修整角度范圍極小，無法在齒向上所有接觸區(qū)域都帶來改善。
由于車輛在加速與滑行狀態(tài)下變速器工作檔位齒輪的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，即工作檔位齒輪的接觸齒面相反，因此定義，車輛在加速狀態(tài)下變速器工作檔位齒輪的接觸齒面為工作齒面，其反面則為非工作齒面。

本次研究以變速器二檔傳動齒輪作為分析對象，根據(jù)其工作齒面與非工作齒面鼓形量、螺旋角、齒面壓力角、及齒頂修緣量的不同，分別進(jìn)行了多組修形參數(shù)分析，表２所示為各組試驗(yàn)的齒輪修形參數(shù)：



在二檔傳動齒輪初始設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，將各組試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入ＭＡＳＴＡ，計(jì)算出其在不同修形參數(shù)下的傳遞誤差，后對各組修形參數(shù)下二檔齒輪傳遞誤差的變化趨勢進(jìn)行分析。

由于汽車變速器的實(shí)際使用工況是不斷變化的，每種工作狀態(tài)下零件的形變量也會實(shí)時變化，對變速器傳動精度產(chǎn)生不同的影響，設(shè)計(jì)過程中，通常將變速器最常用的工況作為首要研究對象，同時覆蓋其他工況，所以，此處以變速器最大輸入扭矩的５０％ 及２０％ 作為加速和滑行狀態(tài)下傳遞誤差的考核范圍進(jìn)行研究。圖５至圖７所示為分析得出的每種試驗(yàn)修形方案下，變速器各工況的齒輪傳遞誤差及齒面壓應(yīng)力對比圖：




從各工況下齒輪傳遞誤差及齒面壓應(yīng)力對比圖中可見，變速器在車輛 ５０％ 加載扭矩下加速過程中，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，且均未超過２ｕｍ，但在低扭矩滑行的工作狀態(tài)下，小鼓形量修整加齒頂修緣的修形方案能使齒輪傳遞誤差得到顯著的下降。
通過分析齒輪修形參數(shù)變化與齒輪傳遞誤差及齒面壓應(yīng)力之間的關(guān)系，對二檔傳動齒輪修形方案進(jìn)行最終確定：
（１）增大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不對稱修形參數(shù)，非工作齒面齒形及齒向使用小鼓形量修形，如表３及圖８所示：




４變速器齒輪修形方案驗(yàn)證
將新的齒輪修形參數(shù)輸入ＭＡＳＴＡ軟件進(jìn)行傳遞誤差分析，計(jì)算結(jié)果為：變速器二檔前進(jìn)工況和滑行工況下齒輪傳遞誤差均未超過２μｍ，如表４及圖９、圖１０所示：




為驗(yàn)證齒輪修形的實(shí)際效果，將更改設(shè)計(jì)后的齒輪安裝在變速器樣機(jī)上，重新進(jìn)行了一輪整車道路試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，對變速器二檔工況的主觀感受為：加速狀態(tài)下，在車輛發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到２５００ｒ／ｍｉｎ附近較短的轉(zhuǎn)速區(qū)間時，能聽見輕微的嘯叫聲，但基本能被發(fā)動機(jī)聲音掩蓋。二檔滑行狀態(tài)下，在車輛發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到１６００ｒ／ｍｉｎ附近的轉(zhuǎn)速區(qū)間時，能聽見嘯叫聲，但也不明顯。主觀認(rèn)為，經(jīng)改進(jìn)的變速器噪聲性能可接受。
由于目前技術(shù)條件下試驗(yàn)車輛在行駛過程中無法直接準(zhǔn)確測得變速器各檔位齒輪的嚙合噪聲，為量化變速器噪聲性能評判指標(biāo)，研究階段使用階次分析方法考核變速器各檔位的噪聲性能，即分析振動頻率與軸頻的比值。變速器在某一檔位工作時，齒輪嚙合階次始終是不變的，根據(jù)車輛發(fā)動機(jī)振動頻率特征及傳動齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出本變速器二檔傳動齒輪嚙合對應(yīng)的階次為１３．５５階。

圖１１及圖１２ 所示為在變速器整車道路試驗(yàn)中，測得的二檔傳動齒輪嚙合階次譜圖：





根據(jù)通常人體感受及變速器設(shè)計(jì)規(guī)范，變速器傳動齒輪嚙合噪聲聲壓級小于車內(nèi)噪聲平均聲壓級１５ｄＢ（Ａ），即認(rèn)為變速器噪聲值能夠滿足普遍駕駛者及乘客的使用要求。由測試結(jié)果可見，二檔加速和滑行工況下，除極個別轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)傳動齒輪嚙合階次曲線超過了評價線，其余各轉(zhuǎn)速范圍均在車內(nèi)平均噪聲降１５ｄＢ（Ａ）以下，測試結(jié)果與主觀感受相一致，認(rèn)為已滿足設(shè)計(jì)要求。

５總結(jié)
齒輪傳遞誤差直接影響著汽車變速器的ＮＶＨ性能，基于目前的分析結(jié)果，在不改變變速器原基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提下，通過合理的齒輪修形來降低傳遞誤差的方法可行的，并且有效降低化了變速器在使用狀態(tài)下的噪聲，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。