变速器设计初期降低其噪音的方法探讨

张海明

（中国重汽集团大同齿轮有限公司， 山西 大同 037000）

引言

随着汽车生产技术水平的不断发展，人们对汽车整体性能要求不仅仅局限于安全、质量、重载，舒适性的要求同样越来越高。其中，整车噪音好坏直接影响用户的购买欲，然而整车一部分噪音来源于变速器。变速器噪音来源于其自身结构特点以及齿轮啮合、壳体设计缺陷和加工工艺。

1 完善齿轮、轴齿零件的设计及加工工艺

变速器的结构有的区分主、副箱，副箱又分前副箱、后副箱。主、副箱有的带同步器，有的通过滑套进行挂挡。主、副箱由主、副轴组成，副轴有单轴和双轴，副箱副轴也有行星机构。双中间、行星机构不仅传递扭矩大，给变速带来的噪音同样较低。

变速器内部齿轮、齿榖、齿套、轴类零件传递载荷和旋转，应当选择低含碳量为0.15%～0.25%的低碳钢或者低碳合金钢，渗碳淬火后齿面硬度（HRC）能达到56～62，齿面接触疲劳极限可达到1 500 MPa，弯曲疲劳极限达到850 MPa，耐磨性好，而且齿的芯部保持较高的韧性。

在中心距、基圆、齿宽以及输出速比一定的情况下，优先选择斜齿轮啮合，斜齿要比直齿轮重合度高（实际啮合线段与啮合点间距比值），传动承载能力大、更加平稳。渐开线标准齿轮啮合时，设计多齿数、大压力角齿轮目的都是为了增加重合度。试验证明转速在1 300 r/min时，重合度由1.18增大至2.06时，噪音降低3～5 dB。齿轮齿数应大于等于17，然而过多增加齿数又会导致模数减小，会导致齿轮弯曲强度不足。

从降低啮合产生的噪音振幅、改变频率来出发，提高齿轮啮合重合度可有效降低变速器齿轮啮合带来的噪音。

传统的变速器挂挡方式是通过滑套外花键与齿轮内花键通过拨叉进行，啮合齿数有限、啮合角度较大。挂挡过程，因相邻的档位齿轮转速差，导致有冲击的异响噪音，相比同步器挂挡这种异响的噪音会弱很多。归根结底都属于增加同时啮合齿对数、有效接触面积即重合度来降低噪音。

购置加工精度较高的滚齿机、插齿机、剃齿机、珩齿机、磨齿机、检测仪器等以及增加对加工设备的标定次数。选用镀钛刀具、新型刀具，提高刀具耐磨度。热处理后通过磨齿提高齿轮精度等级的要求，如能否达到7级甚至是6级。降低齿形误差、齿线误差、齿距误差、径向综合总偏差，保证径向跳动。提高结合面光洁度、齿廓修形、齿顶修缘、齿面进行磨齿、齿顶倒棱、去尖角毛刺等。提高齿形、齿向、对齿检验精度要求等[1-2]。

2 优化壳体的设计

壳体是变速器的骨架，通过轴承支撑着输入、输出轴、拨叉以及操纵组件，对形状、强度、耐磨性、工艺要求比较严格。对于壳体，一般应选择具有铸造性好、抗拉强度高（不低于200 MPa）、耐腐蚀性好、切削方便等特点的材料。常用的材料有灰铸铁（HT200/HT250）和铝合金（AL107/ENAC-ALSi9Cu3（Fe）DF）。

选择压铸铝或者重力浇铸铝壳体的话，相对于铸铁壳体轻很多，同一形状的铝壳体质量会减为铸铁壳的1/3，但价格比较贵。相对于传动系的弯曲共振而言，铝壳变速器总成相对于铸铁壳的固有振动频率会下降，反映到变速器上噪音较大。根据不同情况需要调整壳体整体形状与追加筋，这样既可以提高刚性，又可以改变固有振动频率，从而降低噪音[3]。

因此，在变速器壳体设计时，从改变振动面的固有振动数出发，选择合适的壳体材料、追加高密度筋、加肉等方法可有效降低变速器噪音。

3 合理选择轴承类零件

轴承在变速器主要起到保持轴的旋转精度以及解决轴与壳体直接摩擦、磨损的作用。滚动轴承具有起动灵活、润滑简便、摩擦阻力小、成本低等优点，在变速器上应用较广泛。但是，在变速器工作时，滚动轴承相会带来噪音且抗冲击能力较差、工作寿命不及滑动轴承。因此在变速器设计允许成本范围内，且主要目的为了降低变速器噪音，可优先选择滑动轴承。

其他一些隔套、衬垫要选择耐磨、耐腐蚀性材料，如40Cr、20CrMnTi渗碳淬火，甚至选择价格比较贵的含Sb、Sn、Cu的合金材料。

4 重视对润滑油的选择

变速器内的润滑油不仅可以扩散齿轮啮合、同步器工作、轴承负荷传送时产生的热量，防止零件烧伤，降低摩擦力，提高变速器传动效率，降低功率的损失，还可以防止齿轮、同步器类零件锈蚀以及齿轮啮合、滑套、同步器工作时吸振降噪的作用。

黏度主要考查不同润滑油性质，即油膜的厚度和液体流动的内摩擦性能。变速器工作时，润滑油会附着在齿轮、同步器、轴承表面形成油膜，油膜薄厚直接影响变速器整体性能，随着温度的升高，黏度会降低。

机械变速器润滑油的指标包含质量级别和黏度级别。质量级别按照美国石油学会（API）的标准，可分为 GL-1、GL-2、GL-3、GL-4、GL-5 等质量级别，变速器内的润滑油使用较多的是GL-4（中负荷）和GL-5（重负荷）两类。黏度级别为 75W/80、75W/90、80W/90和85W/90等规格。

表1 常用变速器齿轮润滑油的主要性质

然而随着时代的不断进步，人们发现常用的GL-4油、GL-5油在实际使用过程中，变速器中容易出现油泥、漆膜及沉积物，导致密封泄漏和同步器润滑失效。变速器工作时附着在齿面上的固体颗粒无法通过润滑油被及时冲刷掉，导致固体颗粒进入到齿面引起颗粒磨损、齿面过度磨损、齿廓发生变形，进而引起振动、噪音。

近期大家都在关注使用低黏度（低于15.76 mm2/s）润滑油，10万、20万公里免维护，都在与各个石油公司合作开发符合自身发动机、桥、变速器的长效润滑油。要求该润滑油随温度的升高黏度稳定性要高，而且不会随着磨泥浸入而发生质变。但是必须得严格控制变速器、变速器内各零件清洁度，甚至要考虑增加一些自身清洁的机构（增加滤油器、可从变速器外边更换的磁铁），防止齿轮啮合时，齿面磨损、胶合、点蚀带来的噪音。国内外各大著名变速器生产企业目前均研发出符合自身特点的变速器专用润滑油，如法士特的壳法系列、采埃孚的ZF-Ecofluid M、艾利逊的TES-295等。

5 合理选择螺栓的连接

变速器壳体间一般选用粗牙（M10,P1.5）带弹垫的螺栓，也可以选择带矩形齿的法兰面螺栓来连接。拧进有效螺纹深度为1.5～2倍的公称直径，不仅能增大轴向预紧力，而且可以起到放松的效果。螺栓拧紧扭矩计算公式如下：

式中：Fa为轴向力；d2为螺纹中径；ψ为螺纹升角；ρ'为摩擦角；fe为螺栓与被连接件支撑面摩擦系数；rf为支撑面摩擦半径。由公式得知，同一规格的螺栓，F、ψ、ρ'、rf一定的情况下，法兰面螺栓中因法兰面存在矩形齿，导致Fa越大。因此选择法兰面螺栓连接更加能起到因高温、冲击、振动、变载变化放松的效果，从而避免变速器后期因螺栓松动造成的振动噪音。

6 合理应用吸音材料

在变速箱、整车发动机、桥、车架上贴附吸音材料或者噪音罩等措施异可降低整体噪音。

吸音材料指的是内摩擦阻力大高阻尼材料，其特性在于易将材料中机械振动能量转化为热能，可以大大减少噪音的产生及传播。一般用材料的损耗因数来表征材料阻尼的大小，普通钢材损耗因数达10-4～10-5，其他金属为10-4，高阻尼合金材料可达10-2～10-3。在国外，高阻尼合金材料普遍应用于内燃机的气阀罩壳、变速箱壳体等。在降低设备的噪音方面取得了良好的效果。

7 结语

理论预判、分析变速器噪音的来源，在变速器设计初合理选着壳体、轴承、润滑油、螺栓等零件，可有效解决变速器噪音大的问题。同时，企业应了解、掌握新型科研技术及国外同类行业的先进技术，这样对变速器乃至整车降噪来说或许事半功倍。