金阳

摘 要：汽车变速箱齿轮传动系统是汽车的动力系统重要组成部分，齿轮变速箱的振动性能对汽车的整体性能影响较大。本文分析了齿轮传动系统振动噪声产生的原因，针对这些因素探讨齿轮修形提高齿轮精度的的方法。为降低汽车变速箱噪音，提高传动系统齿轮寿命提供参考。

关键词：汽车变速箱；齿轮；优化

1 引言

随着汽车行业的不断发展，汽车已经成为人们日常生活中常用的交通工具，随着人们对汽车乘坐舒适度及环保要求的不断提高，汽车往更加智能化和环保的方向发展。变速箱的振动问题对汽车的整体性能有较大影响，随着汽车变速箱的不断集成化、功能多样化及传动功率不断增大，汽车变速箱的噪音问题受到了越来越多的关注。变速箱的振动噪声主要来自于齿轮、齿轮箱、齿轮轴及轴承之间的配合误差及加工精度，控制變速箱的振动的有效方法是控制齿轮传动系统的振动噪声，也有利于提高齿轮的使用寿命及汽车的市场竞争力。

2 齿轮传动系统振动噪声问题及分析

2.1 齿轮传动系统振动原因

汽车变速箱的主要功能是根据驾驶环境及路况需要调整齿轮系统传动比，使汽车能顺利通过特定路面或在各种环境中行驶，汽车齿轮变速箱主要包括变速传动机构（传递速度和扭距）及变速操纵机构。在汽车行驶的过程中，变速箱齿轮啮合状态随时间在不停的发生变化，属于多轴多层次的动态振动的系统。

齿轮传动系统零部件并非刚体，各种材料在屈服极限范围内都具有一定的弹性，受到动态激励时齿轮传动系统会产生动态响应引起振动。主要包括齿轮啮合外部激励和齿轮副内部激励。外部激励形成的主要因素有发动机输出扭矩及转速波动、齿轮偏心、齿轮不符合动平衡要求、离合器的非线性及滚动轴承的时变刚度等。内部激励是由于轮齿动态啮合力引起，主要因素有齿轮误差、轮齿的受载变形、轮齿啮合对数的变化等。

3 变速箱齿轮修形

汽车行驶过程中，由于加工误差和弹性变形等因素，汽车变速器齿轮啮入和啮出的时候偏离标准啮合线引起冲撞和干扰，引发变速箱抖振，如果与外部结构之间发生共振，将产生较大的噪声，针对这种类型的振动，单纯的依靠加工工艺或安装技术，并不能达到较好的成效，还会造成齿轮加工成本及变速箱制造成本提高。因此，齿轮修形技术在解决啮合冲击引起的汽车噪声问题中具有重要的作用，利用齿轮修形技术可有效消除几何干涉发生时的载荷变化，使啮合过程载荷平均分布，降低啮合冲击，提高齿轮强度及齿轮运行的稳定性能。利用传动系统仿真分析软件可方便地得到变速箱振动噪音的数据，得到最佳修形方法，便于对传统系统进行优化设计。

3.1 齿轮修形原理

圆柱齿轮啮合过程中单齿啮合与双齿啮合交替进行，轮齿受到的接触载荷是周期性变化的。单齿啮合与双齿啮合交替时，会引起齿轮的载荷明显的突变。传动系统零部件制造过程中必然存在误差，标准的渐开线齿轮在进入啮合及啮出时会发生几何干涉，另外，材料性质决定齿轮在受力时存在弹性变形，这会导致主动轮齿轮相对从动齿轮发生相对转动，引起附加的弹性变形，产生啮合冲击。

3.2 齿形修形方法

齿轮形修形量与轮齿啮合时产生的变形量和加工误差有关，齿轮生产企业都有对应的计算方法及标准，在选择修形曲线时应结合经验及修行工艺等因素，遵循以下原则：①修形后的齿轮副在啮合时，轮齿载荷应该平滑变化；②修形后的齿轮啮合过程中有抵抗非额定载荷引起的冲击及噪声的能力；③ 修形曲线要符合现有的加工工艺，满足实际工况要求。

齿形修形主要包括齿顶修缘（去除齿轮顶部的材料）和齿根修形（去除齿根相近部位的材料）。齿形修形时可同时对主动轮及从动轮齿轮采用修形，也可选其中便于修形的齿轮进行修形处理。由于齿轮根部修形会降低齿轮的强度，所以一般同时对两个齿轮分别进行修形处理。在齿顶圆直径处修整的过程中，严格控制顶部倒角，以免降低齿轮啮合重合度。

3.2.1 修形量

齿轮修形的关键位置是齿顶或齿根，这些区域的修行量需要精确计算，

⑴

其中：δi-齿轮在啮入、啮出位置产生的最大干涉量（由误差引起），mm；

xmax-齿轮啮入产生的最大综合变形量（标准渐开线齿轮），mm

式（1）中xmax的计算公式为：

xmax= ⑵

其中：Fd-齿轮的法向啮合力，N；

Kvi-啮合齿对总啮合综合刚度，N/m；

由公式（2）可知，最大综合变形量与啮合力成正比，与综合刚度反比，当啮合力一定时，在轮齿啮入或啮出位置时最小，xmax有最大值，当齿轮重合度小于2时，

∑Kvi=Kv1+Kv2 ⑶

式中：Kv1-齿对在啮合位置1时的综合刚度，N/m；

Kv2-齿对在啮合位置2时的综合刚度，N/m；

当齿轮重合度小于2时Kv1、Kv2可按下式求得：

Kn=（KzKpv+KcKpv+KcKz）/KcKzKpv ⑷

其中：Kz-主动轮在啮合位i（i=1，2）处的刚度，N/m；

Kc-从动轮在啮合位置i（i=1，2）处的刚度，N/m；

Kpv-由接触变形引起的刚度，N/m；n

式⑷中Kz、Kc及Kpv可按下式计算：

k=Fi/δ∑i ⑸

其中：Fi-轮齿在i处啮合点的法向啮合力，N；

δ∑i-啮合点处沿啮合线方向的综合变形量，mm。

3.2.2 修形长度与修形曲线

修形长度L的公式为：

L=（Z-Pb）/2 ⑹

其中：Z-啮合线长度，mm；

Pb-基节长度，mm。

修形曲线Δ计算公式为：

Δ=Δk（x/L）b ⑺

其中：Δk-最大修形量，mm；

L-测量的啮合线上界点到啮合终点或始点的长度，mm；

x-啮合位置的相对坐标；

b-幂指数，b=1时修形曲线为直线，b=2的修形曲线为抛物线

3.2.3 鼓形齿的修整

汽车变速箱运行过程中，内部传动系统齿轮和轴会发生微小的弹性变形，变速箱体也因受力变形，在加工过程中，齿轮、轴、轴承、箱体等零部件会出现加工误差和测量误差，这些因素有可能造成齿端突然接触，引起传动系统冲击，因此，可通过鼓形齿的方法进行齿向修整，提高齿轮传动精度。鼓形齿的修整需要选取合适的鼓形量（0.01～0.15mm），鼓形量的选取要结合变速箱实际工況及传动系统零部件的材料，可通过多次试验进行选取。

4 结论

汽车变速箱传动系统稳定性与齿轮的使用寿命及传动效率有直接关系，随着汽车行业的不断发展，变速箱齿轮严重磨损或轮齿折断这些破坏现象已经很少发生，齿轮强度优化的方向是齿轮的修形处理，齿轮优化设计的过程中可利用仿真软件得到有效的数据。参考这些数据，优化齿轮结构形式，提高齿轮精度，降低变速箱噪音，提高传动效率。

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