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基于MASTA的汽車(chē)變速器齒輪嘯叫分析

by

王 成 金 達 肖 科

(重慶大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院)

摘要：運用MASTA軟件，分析某兩軸式汽車(chē)變速器齒輪傳動(dòng)誤差，并確定該變速器的主要噪聲源；進(jìn)行嘯叫分析，并通過(guò)對齒輪宏觀(guān)參數（壓力角、螺旋角）、微觀(guān)參數（齒向齒形、齒廓）進(jìn)行優(yōu)化，提高了傳動(dòng)精度與嚙合剛度，減小了嘯叫噪聲。

關(guān)鍵詞：MASTA；變速器；傳動(dòng)誤差；嘯叫分析；齒輪優(yōu)化

0 引言

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的不斷提升，駕駛者對汽車(chē)的舒適性要求日益提高。汽車(chē)NVH特性研究在改善乘坐舒適性中有重要的意義，同時(shí)對提升汽車(chē)零部件壽命也有重要作用。而變速器作為重要的動(dòng)力傳遞部件，是汽車(chē)振動(dòng)噪聲的一個(gè)重要來(lái)源，加工、裝配存在的誤差以及外部載荷等因素的變化都會(huì )引起工作過(guò)程的振動(dòng)與噪聲。齒輪噪聲主要有嘯叫噪聲、拍擊噪聲[1]。嘯叫噪聲主要由變速器的內部激勵引起，即變速器齒輪在輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)引起的。就其本質(zhì)而言，齒輪嘯叫噪聲是齒輪的傳遞誤差激勵所致，一定程度上，齒輪的嘯叫研究便可轉為對傳動(dòng)誤差的研究[2]。MASTA軟件是英國SMT傳動(dòng)技術(shù)有限公司研發(fā)的產(chǎn)品，該軟件涵蓋傳動(dòng)系統選配、制造一體化等功能，在艦船、工業(yè)（包括風(fēng)電齒輪箱等）、車(chē)輛和航空等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應用[3]。通過(guò)MASTA對變速器建模，進(jìn)行系統的變形分析得到可以齒輪的錯位，進(jìn)行齒面接觸分析可以得到傳動(dòng)誤差，以分析系統的動(dòng)態(tài)性能，并通過(guò)優(yōu)化降低傳動(dòng)誤差，改善NVH性能。

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1 變速器模型建立

該汽車(chē)變速器為一個(gè)兩軸式五擋手動(dòng)變速器。變速器倒擋齒輪為直齒圓柱齒輪，其余各擋均為斜齒圓柱齒輪。發(fā)動(dòng)機動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器傳遞至變速器輸入軸，結合套的滑動(dòng)完成各擋齒輪的嚙合，實(shí)現將動(dòng)力傳遞至主減速器。變速器模型如圖1所示。

圖1

由圖1可知，該變速器輸入軸上齒輪為固聯(lián)齒輪，輸出軸除輸出軸齒輪外均為空套齒輪，通過(guò)結合套完成嚙合。不同擋位的對應轉速和轉矩不同，同時(shí)所使用的頻繁程度即每擋所用時(shí)間也不相同，三者之間對應關(guān)系就是載荷譜。計算求得載荷譜下，傳動(dòng)系統中不同零件的實(shí)際受力狀態(tài)，獲得更加準確的計算結果。在MASTA中，載荷譜是不同工況的組合，而工況是指某一功率流下作用的轉速、轉矩及作用時(shí)間。根據汽車(chē)變速器的工況定義載荷譜。

2 傳動(dòng)誤差分析

理想情況下，不存在加工以及安裝誤差，輸出端的實(shí)際位移與理論位移一致。對于齒輪傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，在嚙合點(diǎn)速度相等。

ω1×R1=ω2×R2 （1）

但由于制造、裝配誤差以及嚙合剛度變化，實(shí)際值與理論存在誤差，即存在傳動(dòng)誤差（TE）。

TE=∫（ω1×R1-ω2×R2）dt （2）

齒輪嘯叫噪聲的主要激勵便是傳動(dòng)誤差，尤其是在齒輪嚙合過(guò)程中傳動(dòng)誤差的變化[4]。由于傳動(dòng)誤差的存在，在輸入齒輪均勻轉動(dòng)時(shí)，輸出齒輪轉動(dòng)存在波動(dòng)。運用軟件，求得在每個(gè)擋位下，兩個(gè)嚙合齒輪對（擋位齒輪對和主減速器齒輪對）的傳動(dòng)誤差，一擋（1st）與倒擋（Reverse）時(shí)嚙合齒輪對的傳動(dòng)誤差較大，其余擋位下的傳動(dòng)誤差較小。倒擋的使用頻率較小，故在此只對一擋下嚙合齒輪對進(jìn)行研究，其余擋位下分析方法一致。

3 齒輪優(yōu)化嘯叫分析

3.1 宏觀(guān)參數優(yōu)化

在變速器中，齒輪是核心零件，其承載能力和尺寸基本影響了變速器的好壞。因此，提高齒輪的承載能力、減小尺寸是進(jìn)行變速器優(yōu)化的核心任務(wù)?？紤]到優(yōu)化的有效性和高效性，需要保證齒輪的中心距、齒寬、精度等級保持不變，選擇對強度和重合度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化強度可從安全系數和損傷率入手，MASTA推薦選擇按損傷率進(jìn)行優(yōu)化。針對該汽車(chē)變速器選擇一擋齒輪進(jìn)行迭代優(yōu)化，參數如表1所示。

加載載荷譜，可以運算出優(yōu)化后的安全系數和損傷率，如2所示。

從表2可以看出，優(yōu)化后的齒輪安全系數均有所提高，損傷率均有所下降，說(shuō)明宏觀(guān)參數優(yōu)化可有效提高齒輪的強度及其使用壽命。

3.2 微觀(guān)修形

齒向修形主要有兩種：線(xiàn)性修形、起鼓修形。線(xiàn)性修形是對螺旋角進(jìn)行修形，以補償嚙合誤差。線(xiàn)性修形參數一般以齒輪嚙合錯位量為初始值，在系統變形中得到。起鼓修形的適應性較強，可以補償輪齒在載荷作用下的各種彈性變形，同時(shí)可以有效消除輪齒邊緣接觸現象......