基于齿轮修形的汽车变速器齿轮的噪声改善策略分析

(整期优先)网络出版时间:2024-07-15
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基于齿轮修形的汽车变速器齿轮的噪声改善策略分析

赵春雨

哈尔滨东安汽车动力股份有限公司 150000

摘要:齿轮啸叫作为汽车变速器常见的噪声问题,严重影响了驾驶体验及车辆品质感。本研究探讨了基于精密齿轮修形技术来优化齿轮啮合特性,进而减少变速器运行过程中的啸叫现象。通过分析不同修形策略对齿轮啮合动态行为的影响,提出了一套行之有效的噪声控制方案,旨在平衡制造成本与噪声降低效果,提升用户驾乘舒适度。

关键词:齿轮修形;汽车变速器;啸叫噪声;策略

齿轮啸叫噪声是由传动装置在高速、轻载时产生的非线性振动和动力啮合偏差引起的。常规的降噪手段虽然取得了一定的效果,但是常常会以降低传输的效率或者增大加工的复杂性为代价。针对当前人们对车辆 NVH (噪声、振动和噪声)的需求越来越高,研究新的齿轮修形方法是迫切需要解决的问题。为此本项目拟从理论和实验两方面对传动系统中的振动和噪音进行研究,以期为车辆传动系统的结构优化和优化设计奠定基础。

一、齿廓修形优化

齿廓修形优化是针对齿轮啸叫噪声控制的一项关键策略,它涉及到对齿轮基本齿廓形状的精细调整。常规齿轮多为在理想工况下保持等速比且具有良好的啮合性能的渐开线齿形。但在真实工况下,特别是在高速、轻载工况中,由于系统的非线性振动及微小的几何误差,会对传动系统造成较大冲击,从而诱发高频啸音[1]。为此设计人员引进了高精度齿形修正方法。本项目提出一种基于渐开线齿形的新型渐开线齿形,以此为基准通过建立相应的数学模型,实现齿面上的光滑、平均化,减小齿面碰撞应力,从而减小因其产生的噪声源。该方法充分利用了轮齿在动载作用下的弹性形变,保证轮齿在较小的形变条件下仍能保持较好的啮合条件,降低由于轮齿运动引起的噪音。针对不同工况下,基于真实载荷与转速的差异,提出一种新型的非圆型齿面结构,实现各齿间载荷的优化配置,保证对触点动力学特性的精确调控,减轻局部超载,并进一步降低噪音。齿轮高阶齿形修形量的计算对计算机模拟的要求很高。在此基础上利用 CAD技术建立传动机构的3D建模,对各种转速、载荷工况下的传动特性进行动态模拟。该方法不但可以预测出传动系统的噪音等级,而且可以直接显示出传动系统中的接触点位置,从而为设计人员提供最佳传动方案,保证大转速下传动系统的噪音小、传动顺畅。另外在确定成形过程中,还要考虑到具体的制造过程,以保证其实用性和经济性。这就要求在降低噪声的前提下,在保证加工精度、制造成本和耐久性的前提下,实现整车传动系统综合性能的提升[2]。同时对提高整车 NVH水平、提高整车乘坐舒适性具有重要意义,也将为我国汽车行业的科技发展与市场竞争能力的提高奠定坚实基础。

二、齿面纹理处理

齿面纹理处理是一种先进的减震降噪技术,它通过在齿轮表面精心设计并加工出微米乃至纳米级别的纹理结构,来改善齿轮啮合过程中的动力学性能。本项目拟通过理论分析与试验相结合的方法,对其进行合理设计,以达到降低噪音和提高传输效率的目的。在齿轮啮合中,特别是在高速、轻载工况下,由两齿间的直接接触所形成的瞬间冲击载荷是诱发啸音的重要因素。常规的平滑齿面对接触时极易产生应力集中并诱发高频振荡,而表面织构则相当于为其提供了一个“缓冲垫”。这种表面粗糙的形貌可以有效减小各点之间碰撞,减小冲击,降低由局部过量动负荷引起的振动和噪音[3]。其中齿廓结构的优化需要综合多种参数:表面织构(如凹坑、波纹、随机分布等)、尺寸、深度及其在齿廓上的排布方式。一个完美的结构应该能够在不明显增大摩擦损耗的情况下极大地消耗动能。比如将周期布置的微型凹坑按照其与齿轮的频率相对应的方式进行结构化处理,期望通过谐振来实现对一定频带内的振动能量有效利用;而不是周期排列的不规则结构,对宽带噪音的抑制起到很大作用。该方法在不改变原有结构形状的前提下,不会对整个结构及比速产生任何影响,具有很强的相容性。另外随着激光、电火花等高精度加工工艺的不断发展,使加工具有更高的性价比成为可能。齿廓加工需要与材料选择、热处理工艺、后处理工艺等有机融合,保证齿廓组织的稳定耐用,避免其在服役过程中失效。最后利用先进模拟软件对结构进行动力学模拟,并通过实验与路面实验对其性能进行评价。

三、综合修形与润滑匹配

在汽车变速器齿轮啸叫噪声控制领域,综合考虑齿轮修形与润滑条件的匹配是提升噪声抑制性能的关键。在高转速条件下,齿面之间的小缝隙中是否能够形成和保持一层稳定的润滑油膜,对其振动和发生和发展有着重要作用。在高速列车运行过程中,由于空气中存在着大量空气动力部件,如空气中存在着大量空气颗粒,这些颗粒在空气中形成了一种特殊的流动状态。为此本项目拟采用精密的齿面修整方法,提高齿面的啮合性能,提高载荷分配效率。通过精密的数值模拟,将其齿形修正为渐开线齿形,或者采用特定微观纹理表面,使其在啮合区域内的润滑和流动。通过优化设计,使润滑液在高应力区更高效地分配,减小局部压力峰,降低由非均匀载荷引起的振动噪音。其次选用适当的、高效的润滑剂是非常关键的

[4]。润滑油的粘性对其在齿面之间的润滑作用及膜的强度有很大的影响。如果润滑油的粘性太高,会造成能量消耗和在较低的温度下的流动性能下降,而如果太低,就会使油层厚度不够,从而使其与金属表面绝缘。为此本项目拟通过试验研究,优选出在宽工况、宽转速下具有良好润滑特性,并与之配套的齿轮修形方案。在试验中,研究各种修正方法在不同粘性条件下的综合作用,例如在同等粘性条件下,比较标准和已精修形后的噪音特性,和同一种粘性机油下的噪音差别。利用噪音谱的方法,可以在确保高效、可靠的前提下,对不同的复合方式进行降噪效果比较。 

四、总结语

综上所述,基于精密齿轮修形的汽车变速器齿轮啸叫噪声改善策略,通过齿廓优化、齿面纹理处理及润滑条件的综合匹配,实现了对啸叫噪声的有效控制。这些策略不仅提升了车辆的NVH性能,还兼顾了制造成本与效率,为提升汽车整体品质提供了切实可行的技术路径。未来的研究可进一步探索更为精细化的修形算法与材料应用,以适应更广泛的动力传动系统需求。

参考文献:

[1]吴晗, 胡金鹏, 冯超超. 汽车变速器齿轮修形仿真分析[J]. 农业装备与车辆工程, 2020, 58 (02): 93-98.

[2]顾廷昶. 汽车变速器齿轮传递误差的研究及优化[J]. 传动技术, 2014, 28 (04): 42-46.

[3]郭枫, 褚超美. 汽车变速器传动齿轮对角修形量计算方法[J]. 上海理工大学学报, 2014, 36 (06): 556-561.

[4]王泽贵, 裴质明, 郝志勇, 缪勇, 周益, 周观鹏, 田文华. 汽车变速器齿轮啸叫噪声试验[J]. 浙江大学学报(工学版), 2013, 47 (07): 1307-1312.