汽车手动变速箱啸叫的原因分析与改进

张保利

赛玛特传动技术(北京)有限公司

汽车手动变速箱啸叫的原因分析与改进

张保利

赛玛特传动技术(北京)有限公司

汽车作为日常便捷的交通工具和重要的工业产品，在人民的生活中和交通运输领域占有越来越重要的地位。手动变速箱是由齿轮、轴、轴承、同步器、选换挡机构等组成，能够实现变速箱挡位切换的复杂机械系统。变速箱啸叫是由于齿轮系统啮合过程中齿对的传递误差而产生。基于此，文章就汽车手动变速箱啸叫的原因分析与改进进行简要的分析。

汽车手动变速箱；啸叫；原因；改进

1.变速箱啸叫噪声的传递路径

根据不同的振动状态，变速箱异响主要可分为敲击噪声(gear rattle)和啸叫噪声(gear whine)。而从噪声对车辆的影响上分析，啸叫噪声的影响最大。变速箱啸叫噪声，是一种与发动机曲轴转动频率和变速箱内转动齿轮的齿数成倍数关系的旋转频率噪声。

变速箱啸叫噪声的传递路径齿轮副运转阶次振动在整车上的传递路径，主要包括空气传递和结构传递。空气传递路径主要包括空气直接辐射路径和非直接辐射路径。空气直接辐射路径是指从齿轮副间直接向变速器壳体外辐射的噪声。空气非直接辐射路径是指齿轮副阶次振动通过齿轮轮副、齿轮轴、轴承、和轴承座孔，传递到变速器壳体上的结构振动，进而形成的壳体表面振动形成的空气辐射。结构传递路径是指齿轮副阶次振动通过齿轮副、齿轮轴、轴承和轴承座孔、传递到变速器壳体上的结构振动，再通过动力总成悬置或各类拉索(如换挡拉索、离合器拉索和节气门拉索等)上的结构传递。

2.变速箱啸叫原因分析

传动误差，简而言之就是实际啮合与理论啮合的偏差情况。传动误差主要是由负载引起的变速箱内部的弹性变形以及加工误差、装配误差等因素所致。一般来说，一对齿轮副的旋转角传动误差TE可以粗略表示为：

TE=t2rb2-t1rb1.

其中：t1和t2分别为输入轴、输出轴的角位移所对应的时间；rb1和rb2分别为主动轮、从动轮的基圆半径。传动误差越大，说明传动过程中，从动轮实际位置与理想位置之间的差距越大，传动越不平稳，噪声也相应越大。

Romax软件可以进行传动误差分析，其可靠性已经得到传动领域的一致认可。为了了解变速箱啸叫噪声产生的原因，也进一步证明上述阶次分析的正确性，用Romax软件根据变速箱内部结构及载荷建立齿轮箱模型，对齿轮箱进行传动误差动态分析，如果结果显示齿轮箱前进二档的传动误差大于其他档位，则说明前进二档对应的齿轮就是故障源，阶次分析的结果正确，同时也说明齿轮箱的噪声为啸叫噪声。

为了确定变速箱啸叫的原因，将前进二档和三档的转速、载荷信息加载到所建模型，计算得出了二档齿轮和三档齿轮的传动误差，故阶次分析结果正确，齿轮箱啸叫是由于前进二档齿轮工作时啮合力的变化或齿面摩擦等引起的传动误差所致，在故障诊断阶段应从改善齿轮传动结构入手。

3.变速箱啸叫控制机理

变速器啸叫噪声是严重的汽车质量问题，即使是驾驶经验不足的用户也能感觉到啸叫，严重影响汽车的乘坐舒适性。因此，必须消除或者至少降低变速器的啸叫噪声。

一个系统的振动或噪声问题一般采取以下的方法来解决：a： 减小或消除激励；b 将系统的固有频率移除到激励范围之外；c： 改变或者消除振动传递通道；d： 增大结构阻尼从而减小响应幅值。对于变速器的啸叫噪声来说，很难通过增大结构阻尼和改变振动传递通道的方法解决，而且这种方法成本较高；将系统固有频率完全移除到激励频率范围之外也是不可能的。所以从各方面综合考虑，减小或者消除激励或者将系统的固有频率和激励频率避开这两种方法是解决变速器啸叫噪声最有效可行最实际的办法。

从以往研究可知，传递误差(Transmission Error)是引起变速箱啸叫声的根本的原因。传递误差与齿轮啮合振动及啸叫噪声声压级成比例关系。要消除或者减小啸叫声，可以从减小传递误差入手。

4.变速箱齿轮传动系统结构设计改进

4.1 螺旋角的改变对系统固有频率的影响

在保证五档档位传动比不变的情况下，改变螺旋角，如表1所示：

表1 螺旋角变化表

对螺旋角改变后齿轮系统进行模态分析，并与原始结果进行对比，这里只取后十阶，如表2所示：

表2 变速箱齿轮传动系统固有频率

从表2可以看出，五档齿轮的螺旋角改变后，系统固有频率发生变化，第12阶固有频率由1487Hz变为1484Hz，有效避开了激励频率。通过轴承处的动态响应，可以观察系统固有频率的变化情况。由于只关注在1487Hz附近系统固有频率的改变，所以频率分析段设置为1300Hz-2000Hz。以输入轴左右轴承为例，轴承处的动态响应变化曲线如图1、2所示：

图1、2表示了在螺旋角发生变化时，系统固有频率以及轴承力幅值的变化。横坐标代表系统的频率；纵坐标表示轴承动态载荷的幅值，轴承力发生峰值所对应的的横坐标即为系统的固有频率。从图2、3可以看出，螺旋角改变后，在1487Hz处没有峰值，即系统的固有频率发生了变化。

图1 输入轴左轴承处固有频率随螺旋角变化曲线

图 2 输入轴右轴承处固有频率随螺旋角变化曲线

结束语

汽车变速箱总成由齿轮、轴承、传动轴、同步器及箱体等零部件组成。由于在制造和装配过程中存在着误差以及负荷等外部因素变化的影响，它们在工作时将产生振动，同时向空气中辐射噪声。所以，需要对变速箱啸叫声产生的原因进行分析，并进行适当的改进，从而更好的保证其运行。

[1]高晓谋,吴根华.带有同步器的手动变速箱油的研制[J].润滑油, 2015,(05)：10-13.