低噪声客车桥优化设计及试验研究

范春利，史成淼，王林国，李庆臣，赵文华，徐伟健，保万全，袁照丹

（一汽解放汽车有限公司商用车开发院，吉林 长春 130011）

前言

噪声是环境污染源之一，作为人们出行主要交通工具的客车，其驱动桥的传动噪声是影响客车NVH 性能的重要因素。为了有效的降低驱动桥传动噪声，在分析螺旋锥齿轮噪声产生机理及主要影响因素的基础上对某型客车桥主减速器进行了优化设计及试验研究。

1 弧齿锥齿轮噪声机理分析

振幅和频率是声音的两个特性，通常声音标准达到85dB (A)，频率在3000Hz 的时候即称为噪声。客车桥齿轮传动具有周期性啮合的特性，振动不可避免。在齿轮啮合过程中，齿面间相对滑动产生摩擦力和因制造误差、安装误差等造成的啮合冲力是齿轮产生振动的主要原因，而齿轮的振动、运转不平稳是诱发齿轮传动噪声的主要原因[1]。通过对主减速器总成平面进行声强扫描获得声强级分布等高图，见图1，由扫描结果得出，主减速器总成工作时，一般状态下，齿轮副啮合噪声和主动锥齿轮支承轴承滚动噪声是总成噪声的主要贡献源[2]。

2 影响齿轮传动噪声的因素分析

本文从齿轮参数设计、齿轮加工精度以及齿轮装配调整三个方面进行研究，通过合理的选择齿轮设计参数、加工精度以及正确的装配调整以提高齿轮传动的平稳性，降低传动噪声。

图1 声强级分布等高图

2.1 重合度的影响

对于主从动锥齿轮齿轮副，实际重合度随载荷的变化而变化，而影响回转误差的恰是实际重合度。当重合度小于2时，随着重合度增大，振动和噪声将降低；当重合度等于2时，振动和噪声急剧降低，这是因为几乎没有啮合冲击；当重合度大于2 时，振动和噪声呈下降趋势，这主要与制造精度有关[3]。

在齿轮参数选取过程中可以通过Gleason 软件对齿轮进行LTCA 分析，在不同的载荷下分析其啮合性能，进行加工参数的优化设计。在中轻载荷下（往往是高速）应保证其实际重合度大于2，不发生边缘接触，以控制其噪声和振动。在满负荷下，重合度一般都能达到要求，应控制其边缘接触的程度和齿顶承受的载荷，防止弯曲强度不足而发生断齿[4]。

2.2 压力角的影响[5]

大压力角可以增加轮齿强度，减小齿轮不产生根切的最少齿数，但对于尺寸小的齿轮，大压力角易使齿顶变尖及刀尖宽度过小，并使齿轮的端面重叠系数下降，所以在中轻负荷下工作的齿轮中一般采用较小压力角，可使齿轮运转平稳，噪声低。对于汽车驱动桥主减速器螺旋锥齿轮而言，对齿轮强度要求较高的载重汽车通常选用22°30'的平均压力角。根据客车桥对齿轮的强度和传动噪声的要求，其压力角可适当减小。

2.3 齿轮精度的影响

弧齿锥齿轮的振动与噪声对齿轮精度非常敏感，降低齿轮传动噪声的首要途径就是提高齿轮精度。齿轮精度越低，误差越大，特别是过大的齿形、齿向误差和齿距误差会造成极坏的接触区，导致噪声极高；几何、运动偏心在高速运转时产生的振动也会形成噪声；齿面粗糙度越大，啮合噪声也越高[6]。在试验中，一对转速为1000r/m 的齿轮仅将齿形误差从0.017mm 降到0.005mm 时，测的噪声降低8 dB(A)。通常客车驱动桥齿轮精度要求7 级精度，目的是在保证较低传动噪声的前提下尽量降低生产成本。

2.4 接触区的影响

齿轮接触区有三个要素组成：接触区的形状、位置和大小。接触区的理想形状应为椭圆形，而现生产中通常会出现桥形、线形等形状的接触区，对齿轮受力以及传动噪声都有很坏的影响；接触区的理想位置应该是轻微载荷下偏小端，当随着载荷的增大，接触区的位置会向齿宽中点移动，如果接触区位置在轻微载荷下偏大端，则会随着载荷的增大而跑出齿面，造成不正常的磨损，发出尖啸声；接触区的大小直接影响到齿轮的运转精度，接触区太短会产生局部接触，造成较大的冲击，使噪声更大。通常在齿轮参数设计、齿轮热处理前都能保证较好的接触区形状、位置和大小，但由于热处理变形的存在，热处理后的接触区的形状、位置和大小均达不到设计要求，需要对热后齿轮进行磨齿或配对研齿。

2.5 齿侧间隙的影响

双曲面齿轮加工具有一定的侧隙量，这个侧隙是根据齿距和工作条件而定的。如果齿侧间隙太小，就会增加齿间润滑油的压力，引起弹性震动，甚至破坏齿面的油膜，还能引起齿侧的干涉。因此在Gleason 推荐的范围内，选用偏大的齿侧间隙对降低齿轮噪音是有利的[7]。

2.6 轴承精度的影响

轴承精度是影响平稳传动的一个重要因素，而轴承振动速度和振动加速度是轴承精度的两个重要体现。笔者曾检测过不同厂家各13 套9278/9220 圆锥滚子轴承的振动速度和振动加速度，结果如下：

表1 不同厂家9278/9220 圆锥滚子轴承的振动速度和 振动加速度检测结果

对比检测结果可以看出，A、B 和C 三家轴承的振动加速度和振动速度要远大于D 公司，并且离散度较大，质量不够稳定。对噪声要求较高的客车桥而言，轴承要选择质量稳定、振动加速度和振动速度较小的产品，尤其是转速较高的主动锥齿轮的支承轴承。

3 某型客车桥优化设计及试验研究

通过以上对影响齿轮传动噪声主要因素的研究分析，针对某型客车桥低噪声的设计要求，在原平台产品上做了优化设计及试验研究。

3.1 齿轮主参数的选取

通过计算，在尽量保证齿轮加工效率和低成本的前提下，适当减小了压力角、调整了螺旋角，保证大重叠系数。优化前后的齿轮主参数如下表所示：

表2 优化前后齿轮主参数

通过Gleason 软件对上述主参数齿轮分别进行TCA (Tooth Contact Analysis)分析，结果如下：

表3 Gleason 软件对主参数齿轮TCA 分析结果

从模拟结果可看出，优化前接触区以及接触路径均不规则，在传动过程中易产生冲击、硬接触等，对传动的平稳性是不利的；而优化后的菱形接触区以及对角线接触路径使齿轮啮合传动过程中更加平稳，对降低齿轮啮合噪声是非常有利的。

针对以上分析结果，对优化前后的产品进行了齿轮副LTCA(Load Tooth Contact Analysis)分析，齿轮副LTCA 分析能够更真实的模拟计算在不同载荷下的接触区、接触路径以及传动误差振幅，齿轮副正反车面的模拟计算结果见图2 和图3。

图2 齿轮副正车面LTCA 分析结果及误差曲线振幅对比曲线

图3 齿轮副反车面LTCA 分析结果及误差曲线振幅对比曲线

从以上模拟计算结果可以看出，优化后的齿轮副正反车面的接触区、接触路径在各载荷情况下均好于优化前齿轮副，尤其是在中轻载荷情况下；并且优化后齿轮副的传动误差振幅在各载荷下比原齿轮副降低了很多（正反车面均降低了60%左右），对降低啮合噪声效果明显。

3.2 轴承选择

根据前文分析，采用了D 公司轴承，以降低轴承精度对驱动桥传动噪声的影响。

3.3 试验验证

对优化后的某型客车桥在不同转速不同载荷下做了噪声试验，并于与平台产品中研齿、磨齿两种工艺的样桥做了对比，见图4 和图5。

图4 空载噪声

图5 满载噪声

从以上的对比结果可以看出，在相同载荷、相同转速下优化后的客车桥比平台产品中研齿工艺的样桥噪声低约8 dB(A)、比磨齿工艺的样桥噪声低约1.6 dB(A)。由此可以看出，通过优化齿轮的设计参数来提高齿轮啮合的重合度，从而提高传动的平顺性、降低传动噪声是行之有效的。

4 结论

经本文研究可以得出：通过增加齿数有效的增大重叠系数，保证重叠系数在2.2 以上，同时选择振动速度、振动加速度较小且离散度较小的轴承，对降低客车桥传动噪声效果显著。