基于统计试验设计优化对齿轮噪音的改善

靳少辉

摘要：研究了影响齿轮噪音的关键因素对变速器噪音品质影响程度，在此基础上，结合传递误差与齿轮微观参数之间的关系，建立了相关性关系的数学模型。结合前期原有的数据，建立仿真和试验的混合相关性模型，分析影响变速器齿轮噪音的关键因素，进一步揭示出关键因素法对优化齿轮噪音的意义，为研究和改善齿轮传动系统噪音提供一种方法。

Abstract： The influence degree of gear micro parameter main-effect working upon transmission noise is researched， the relationship between gear micro main-effect parameter and transmission error is built， and the relationship model is established to analyze the main-effect of gear whine， to provide a method for improvement of the transmission system noise.

关键词：相关性分析；微观修形；齿轮噪音；传递误差

Key words： main-effect analysis；gear micro modification；gear noise；TE

中图分类号：TG162.73 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）03-0131-03

0 引言

引起变速器噪声的原因是错综复杂的，齿轮啮合噪音便是其中的一个主要因素，齿轮传递动力时，轮齿部犹如承受动载荷的悬臂梁普遍认为齿轮的啮合噪音是由齿轮啮合不平稳而产生的传递误差。沿啮合线方向度量被动轮上的齿廓在实际啮合时所处位置同理想条件下应处位置之间的偏差就是传递误差[1]（Transmission Error简称TE）。

其特点：

①轮齿所受的力发生突变；

②轮齿进入与退出啮合时的冲击；

③啮合过程中齿面间的相对滑动及摩擦力的变化；

④受载条件下，轮齿刚性变化及弹性变形，导致载荷变化；

⑤轮齿存在误差造成运转不均；

⑥属于单频信号有明显的阶次；

⑦受齿数和发动机转速影响。

影响TE的因素主要分为宏观参数和微观参数，通过优化齿轮重合度增加，对重合度来说，增大其值可以减小单对轮齿的载荷，能减小轮齿啮入和啮出冲击载荷，降低传递误差，同时通过优化齿面的微观参数能够使齿面的载荷更加均匀，减小轮齿啮入和啮出冲击载荷，降低传递误差。

本文结合传递误差与齿轮微观参数之间的关系，建立了相关性关系的数学模型。结合前期原有的数据，建立仿真和试验的混合相关性模型，分析影响变速器齿轮噪音的关键因素，进一步揭示出关键因素法对优化齿轮噪音的意义，为研究和改善齿轮传动系统噪音提供一种方法。

1 齿轮修形及MASTA仿真

1.1 进行齿轮修形的目的

①由于壳体，轴承，轴和齿轮变形引起的啮合错位需要齿向（fhb）修形；

②负荷产生的齿面变形需要进行齿形（fha）修形；

③生产公差需要齿形＼齿向鼓形量（ca＼cb）修正。

1.2 MASTA 仿真分析

完成一次有效的MASTA仿真分析需要准备以下条件：

①该工况下的作用在齿轮上面的实际载荷；

②壳体、轴、差速器壳体、齿圈的FEM模型及刚度矩阵导入MASTA[2]；

③实际的啮合错位量。

2 统计试验设计及仿真分析

2.1 统计试验仿真分析

正交试验设计法是研究与处理多因素试验的一种科学方法。利用规格化的表格—正交表，科学地挑选试验条件，合理安排试验。

根据试验设计内容的不同：分为专业设计和统计设计。

专业设计又分为：演示试验、探索试验。

统计设计又分为：比较试验、优化试验。

我们所讲的只是针对“统计试验设计”。

统计试验设计是一个十分广阔的领域，几乎无所不在。在科研、开发和生产中，可以达到提高质量、增加产量、降低成本以及保护环境的目的。随着科学技术的迅猛发展，市场竞争的日益激烈，统计试验设计将会愈发显示其巨大的威力。

试验设计的代表方法包括“传统”方法和“田口”方法和谢宁法。

结合本次试验数据采用田口法选用5水平4因子L25（54）求望小值。

依据结果在MASTA中进行计算。

①计算各水平对应指标（见表1，一二三四五行）。

②计算各列极差（见表1，R 行）。

③各因素的影响谁主次：

极差较大则影响较大，极差较小则影响次之，因子主次为：B>D>A>C。

④各因素的最佳水平：A1B2C2D2。

2.2 建立相关性图表及出具标准

将仿真的数据建立相关性图表（以fha为例）以方便后期与试验数据对比。

结合以上建立修形标准。

3 试验验证

3.1 NVH测试

NVH测试采用LMS公司提供的测试分析系统（LMS SCADAS）进行台架及实车变速器噪音测试，分别变速器壳体Z向布置振动传感器以及车室内驾驶员右耳测处加装麦克风传感器，测试分析系统由数据分析使用Test Lab测试工况依据实车测试工况制定。

3.2 数据分析

将测试数据和部分仿真數据录入统一表格建立双轴图，其中右侧坐标为MASTA仿真的TE值，TE值越小变速器的啮合噪音就越小，左侧坐标表达的为变速器总集与阶次之间的差值（简称gap值）变速器gap值越大越好，一般认为变速器总集与阶次之间的差值小于10dB变速器主客观评价无法接受。

对双轴图的数据进行分析。

图7数据统计结果表明，挡fha→0时变速器总集与阶次之间的差值达到15dBA以上，变速器噪音达到一个较好的水平，同时从图7右轴也可以看出来当fha→0时 TE值也趋于最小值，与测试结果一致。

4 总结

①阐述了传递误差的物理意义，研究了统计试验设计方法将影响变速器噪音的各个影响因素量化并求出去最优解[3]。

②通过实际案例，接合仿真计算和实车测试对比分析，验证了理论的有效性，得出采用统计试验设计方法可以快速准确的解决变速器噪音问题，进一步阐述了采用统计试验设计方法对解决变速器噪音的快速性及有效性，为解决和提升变速器啮合噪音能提供了一种有效的手段。

参考文献：

[1]詹东安，王树人，唐树为.高速齿轮齿部修形技术研究[J]. 机械设计，2000（08）.

[2]程燕.从齿轮传递精度对车辆传动系NVH的研究[J].机械设计与制造，2011（03）.

[3]王宁，梅自元，周长国.基于正交试验的车身覆盖件冲压成形回弹分析[J].机械设计与制造，2008（10）.endprint