变速箱 S 形齿廓传动齿轮对整车 NVH 性能的影响

随着我国汽车行业的发展，公众对车辆安全性、驾驶性以及驾驶舱舒适性提出较高要求，提高汽车的噪声、振动与声振粗糙度(noise vibration harshness，NVH) 性能可以有效提升汽车产品的竞争力。变速箱是汽车动力总成的重要组成部分，变速箱噪声是整车噪声的重要来源之一，对整车 NVH 性能影响较大。传动齿轮是变速箱的核心部件，其振动是变速箱振动噪声的主要激励源，对变速箱传动齿轮的振动控制是改善整车 NVH 性能的关键。 

目前国内对变速箱及齿轮传动系统 NVH 性能的研究主要集中于优化变速箱结构，关于传动齿轮齿廓形状对 NVH 影响的研究较少。本文中基于某款轿车用自动变速箱，根据传动齿轮的齿廓形状差异，以齿廓存在 S 形曲线的齿轮(下文简记为 S 形齿廓齿轮) 为研究对象，分析齿廓误差对整车 NVH 性能的影响。 

齿轮噪声产生的主要原因是齿轮副的传递误差，传递误差 δ_TE是描述齿轮传动不平稳性的参数，示意图如图 1 所示。由图 1 可知：当主动齿轮齿廓 A 和被动齿轮齿廓 B 相啮合时，被动齿轮应被主动轮匀速带动，但由于啮合的齿轮副存在制造、装配误差以及齿面受载变形等原因，被动齿轮的实际齿廓会在 B' 处，主动齿轮齿廓 A 需多转 1 个角度 δ，沿啮合线继续移动一个附加距离，这个附加距离即为 δ_TE。 

图 1   齿轮副传递误差示意图

理想情况下，如果齿轮传递动力时非常平稳，则发出的声音非常微小。由于存在 δ_TE，使齿轮副在啮合( 啮入、啮出) 时偏离了理论啮合线，轮齿发生冲击，引起传动系统振动。在振动传递到变速箱外部结构的过程中产生共振而引发噪声。当齿廓误差增大时，齿轮的 δ_TE增大，致使啮合齿轮副间的摩擦、变形、冲击加剧，从而产生振动和噪声，减小 δ_TE 可有效改善齿轮传动噪声。

S 形齿廓：某齿轮齿廓测量曲线如图 2 所示。由图 2 可知：该齿轮齿廓上存在明显的 S 形曲线，如图中红线所示。齿廓上的 S 形曲线主要是由齿轮制造过程的加工精度不够、设备装夹精度不够、刀具寿命设定不合理等原因导致。

图 2  齿轮齿廓测量曲线

试验方法：由于传动齿轮的振动是变速箱噪声的主要噪声源和激励源，试验以变速箱中不同齿廓的传动齿轮为基础，分别搭载同一类型变速箱进行下线台架(end of line，EOL) 振动测试和整车 NVH 测试，分析不同齿廓对整车 NVH 性能的影响。

EOL 振动测试：变速箱分别装配正常齿轮、S 形齿廓齿轮，进行 EOL 振动测试。通过安装在台架测试设备上的振动传感器采集变速箱竖直方向上的振动加速度，振动传感器布置在变速箱壳体(表面) 顶部靠近传动齿轮且刚性较好的位置，EOL 振动测试设备如图 3 所示。EOL 振动测试原理为：发动机将动力输 入到变速箱的输入轴，通过轴上的齿轮啮合将动力传递给输出轴，这是发动机动力传递的路径，同时也是变速箱振动的来源，因此，通过测量变速箱壳体振动评估变速箱内部振动，利用采集得到的变速箱振动信号进行 NVH 诊断。

图 3  EOL 振动测试设备

整车 NVH 测试：整车 NVH 测试与评价通常采用主观评价法，由于个人主观感受的差异使得测试结果具有较大波动。为避免主观评价结果的波动性，将正常齿轮、S 形齿廓齿轮装配变速箱再装载至整车，在整车发动机舱变速箱位置及车内驾驶座人耳右侧位置布置麦克风，进行声压级测试，采集整车噪声。整车 NVH 测试设备安装位置如图 4 所示。

图 4  整车 NVH 测试设备安装位置

试验数据分析

EOL 振动测试结果：本文中采用振动加速度级评价振动源和环境振动强度。振动加速度级

式中：a_s为实测加速度，m /s²；a₀为基准加速度，a₀ = 10^－5 g，其中，g 为自由落体加速度。 

变速箱的振动加速度测试结果如图 5 所示。由图 5 可知：装配 S 形齿廓齿轮的变速箱，其振动加速度级明显高于装配正常齿轮的变速箱，装配正常齿轮、S 形齿廓齿轮的变速箱的振动加速度级在 48 阶次处的差异最为明显，分别为 50、81 dB，相差 31 dB。

图 5  变速箱 EOL 振动加速度测试数据

整车 NVH 测试：整车声压级数据对比如表 1 所示。

表1  整车声压级数据对比                单位: dB

由表 1 可知，装配 S 形齿廓齿轮的整车发动机舱声压级为 82 dB，比装配正常齿轮的发动机舱的声压级高 12 dB，增幅明显。由于整车声学包裹改善了车内的噪声，相比于发动机舱，驾驶舱的声压级大幅降低，装配 S 形齿廓齿轮的整车驾驶舱声压级为 37 dB，比装有正常齿轮的整车高 7 dB，NVH 性能表现也相对较差。 

S 形齿廓齿轮的变速箱装到整车后，变速箱 EOL 台架振动加速度级明显加大、振动能量变大，整车 NVH 测试表明，NVH 性能变差，给客户带来较差的 NVH 体验。

消除齿轮的 S 形齿廓是改善变速箱及整车的 NVH 性能的有效途径。可以通过多种措施优化齿形，消除 S 形齿廓的产生，首要措施是提高齿轮加工精度，如调整加工工艺参数、提高设备装夹精度、控制刀具寿命等。经过实际加工制造验证，在满足齿轮各项参数要求的前提下，综合考虑加工工艺、改进成本、改进效果等多方面因素，最终确定通过严格控制齿轮加工珩磨轮寿命消除齿廓的 S 形波动，改善变速箱及整车的 NVH 性能，提高变速箱产品的市场竞争力。 

通过变速箱 EOL 振动测试和整车 NVH 测试，研究变速箱 S 形齿廓齿轮对整车 NVH 性能的影响。结果表明，S 形齿廓齿轮使得变速箱 EOL 台架振动能量变大，在 48 阶次的振动加速度级增加 31 dB，增幅最大；NHV 测试发动机舱及车内驾驶舱的声压级分别增加 12、7 dB，变速箱及整车的 NVH 性能较差。综合考虑加工工艺、改进成本、改进效果等多方面因素，最终确定严格控制齿轮加工珩磨轮寿命消除齿廓的 S 形波动。