齿轮基本参数对齿轮噪声影响的效果图

在长寿命低噪声轿车变速器的设计与开发中，引入了抗疲劳设计与制造的概念，为我国如何依靠自主创新，走出一条赶超国际先进技术水平提供了新的思路。

变速器作为轿车中的关键部件，其噪声与寿命决定了变速器的品质与水平。长期以来我国高品质高水平的变速器设计与开发主要依靠引进、消化、吸收。如何在引进、消化、吸收的基础上进行自主创新，走出一条赶超国际先进水平的路子，我们进行了大量的探索。

引入抗疲劳设计是实现长寿命变速器的先决条件

国内变速器设计是由二维作图手工设计、采用经验的类比、仿制，到引进、消化、吸收、再创新技术，再到利用计算机辅助设计到优化设计、并行设计、三维特征建模面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、CAPP、CAM集成化、并逐步向设计智能化、模拟仿真、有限元分析和虚拟设计的计算机集成制造系统发展。即使这样，我们产品的使用寿命还只是国外同类产品的30%～50%，甚至更低，原因是在设计阶段还没有引入抗疲劳设计的理念。

国外在产品设计中采用了抗疲劳设计的理念，在产品开发过程中设计理论和方法得到延伸，思维的变化及设计范畴得到扩展。由静态的设计原理向动态的延伸；经验的类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸；确定的设计模型向随机的模糊的延伸；单思维模式向多思维模式延伸；设计手段精确化、计算机化、自动化与虚拟化。传统设计建立理想的稳定的载荷和应力模型，而国外采用概率设计描述载荷应力、环境条件等随机因素的分布规律，通过有限元分析、动态分析、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计和耐环境设计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真实情况，从而得到比较符合实际工况的真实度，提高设计的精确度。他们利用计算机辅助设计发展到优化设计、并行设计、面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、CAPP和CAM的集成化、网络化，并逐步向设计智能化、模拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行计算机辅助设计过渡。而且是面向产品寿命周期全过程进行可信性设计等先进技术，国外通过一系列手段为变速器的设计提供了可靠的依据。

引入抗疲劳制造是实现长寿命变速器的必由之路

我国的汽车变速器与国际先进品牌的差距集中体现在低噪声、可靠性和产品寿命上，我们就是全盘引进国外设计，甚至我们零件精度做得比国外的还要好，但在产品可靠性和产品寿命上同样存在很大差距。究其原因，关键问题是我国的制造业长期遵循的是“成形”制造的理念。仅仅仿了“形”，没有仿到“神”。

“成形”制造即传统的制造是指以成本、时间、空间等为技术判断，满足形位和表面粗糙度等设计图纸规定的要求的制造技术，它是寿命短、可靠性差和结构重量高等问题的主要根源。如何走出“成形”制造落后的局面，就是要引进抗疲劳制造的理念和方法。

什么是抗疲劳制造？它是控制表面完整性，以疲劳性能为主要判断依据和提高疲劳强度的制造技术。表面完整性是控制加工工艺形成的无损伤或强化的表面。抗疲劳制造与现行传统的“成形”制造的根本区别是它适应先进的设计和更高强度的材料，它不仅实现图纸设计要求，而且保证零件性能与设计的一致性。

引入抗疲劳制造是实现长寿命变速器的必由之路！是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。抗疲劳制造是一场革命，它涉及到观念转变、技术转变、管理转变和人员素质转变，它还涉及到全局性技术进步。

美国率先实现了抗疲劳制造技术，机械产品性能居世界领先地位，它是抗疲劳制造技术和高端产品的领先者。当今，工艺模拟、仿真、数字化和性能预测把抗疲劳制造提升到新的发展阶段。美国发展抗疲劳制造实现机械制造强国、汽车制造强国的道路值得借鉴，只要我们在“成形”制造的道路上引入抗疲劳制造的理念、理论和方法，并进行深入的研究和实践，我们就可缩短实现长寿命变速器的道路，我们就可缩短由汽车制造大国走向汽车制造强国的道路。

低噪声要求变速器设计的要点

1. 把握齿轮标准的变化倾向

对于低振动噪声要求变速器的齿轮参数设计，当今大多数设计都采用标准参数设计，没有根据其特定的要求设计出特定的参数。参考日本轿车齿轮设计的标准变化，会有很好的参考意义（见下表）。

2.齿轮参数对振动噪声的影响

下图是齿轮基本参数对齿轮噪声影响的效果图，红色区域是齿轮基本参数影响噪声的变化范围，影响的基本参数有压力角、螺旋角、模数、齿数、精度等级和啮合系数等。

（1）压力角－噪声随着压力角的减小而减小；

（2）螺旋角－噪声随着螺旋角的增大而减小；

（3）模数－噪声随模数的减小而减小；

（4）齿数－噪声随齿数的增多而减小；

（5）精度等级－噪声随精度等级增加而加大；

（6）啮合系数－噪声随齿轮啮合系数变化而变化。

根据上图分析和日本轿车齿轮的标准变化倾向，我们对于低噪声要求变速器的齿轮参数设计，便可进行优化、试验。另外，影响齿轮噪声的参数还有齿宽，随着齿宽的加大，噪声渐渐降低。齿轮的齿宽与齿的弯曲变形成反比， 对高精度齿轮来说，齿轮噪声随单位载荷的增大而增大。齿轮的结构设计，不同的结构设计对噪声也有较大影响，很显然按齿轮标准参数设计会造成先天不足，应按工况要求综合优化。

3．变速器箱体设计的要点

箱体的降噪设计是降低变速器噪声的另一有效方法，具有很大的潜力。噪声是固体传播和空气传播发射的总噪声，箱体的形状、刚性、自振频率和表面辐射面积、表面上开设箱盖的位置大小以及总体布局均是噪声产生共振，声压产生合成、噪声发射影响的因素。

（1）箱体形状应能使其刚度大，声音辐射面积减小，避免大平面过渡，在箱体内做成曲面，转角处采用大半径圆角过渡，内表面用筋条划分设计成法向各异的小板块相接，以降低箱壁振动和减小辐射能量，可取得明显的降噪效果，可降噪3～7dB（A）；

（2）箱盖设计也要特别注意上述原则，可降噪2～5 dB（A）；

（3）加强箱体的隔声、吸声和阻尼处理。在箱体内壁敷以吸音材料，在箱体和箱盖间加上隔振和吸音材料会收到良好的降噪效果，可降噪3～5 dB（A）；

（4）正确地进行轮齿修形。轮齿修形即采用设计齿形、设计齿向，是降低齿轮噪声最合理、最有效且最经济的手段（可降噪7～20 dB（A）），这一直是国内外齿轮技术界研究的热门课题。因每种齿轮工作条件不同（载荷、转速、油温、轮齿几何形状和综合刚度等不相同），所以任何单位的修形设计，都不可能适用所有的齿轮修形。最有效的方法是全面分析影响齿轮误差的因素，掌握齿轮啮合的内在机理，设计初始修形设计，并进行必要的试验，以获取适合本工况的齿轮齿形、齿向要求，最后形成标准在生产中执行。

低噪声变速器开发的要点

满足低噪声长寿命要求的轿车变速器的开发仅有先进的设计还不够，还必须把握好工艺控制的要点，主要体现在以下方面：

（1）确保齿轮材料的稳定性；

（2）材料的等温正火处理，确保材料组织的均匀性，消除立方贝氏体，确保切削性能和热处理变形小、变形有规律；

（3）确保齿坯基准孔精度和两端面的跳动；

（4）确保轴类零件两端中心孔的大小、同轴度和粗糙度；

（5）确保滚齿（插齿）精度，采用无侧隙夹具和滚刀径跳调整装置，保证滚齿齿形误差小、有规律，为剃齿的稳定性做好准备，为磨齿尽可能减小余量；

（6）采用径向剃齿和同步剃齿及无侧隙夹具，确保剃齿精度和稳定性；

（7）采用仅限位自动定心夹紧的无侧隙夹具，确保磨齿精度和稳定性；

（8）掌握热处理变形规律，剃齿时采用反变形；

（9）控制热处理工艺及零件摆放，确保变形小，变形有规律；

（10）采用挤齿工艺，降低齿面粗糙度，去除小毛刺、小磕碰；

（11）采用设计齿形、设计齿向。通过试验探索降噪最佳设计齿形、设计齿向；

（12）大批量生产有条件的单位可采用强力珩齿；

（13）注意轴类齿形零件的校直基准和校直；

（14）采用球面压头压装轴承及油封；

（15）特别注意装配清洁度。

结束语

通过长期对长寿命低噪声轿车变速器的设计与开发方面的研究，特别是最近引入抗疲劳设计与制造的理念，不断进行实践与探索，为我国依靠自主创新，充分认清推进抗疲劳设计与制造的理念并研究其方法，是实现汽车强国的必由之路，也是走出一条赶超国际先进技术水平的新路。