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动力总成NVH之齿轮噪声
1 问题描述
齿轮噪声是由齿轮组产生的传动角度旋转变化引起的响应。它是齿轮、轴承、轴和传动系统机座相互作用的结果。这种噪声源于齿轮啮合时的接触处，并通过不同的连接传递到车身，齿轮产生的空气声也占有重要地位。
齿轮噪声通常表现为呜呜的叫声，频率范围在200~1800Hz之间。与其他NVH（噪声、振动和刺激）扰动相比，齿轮噪声在绝对激励和响应水平上相对较低。在车内的贡献水平仅为55dB（L），与发动机的95dB（L）和传动系统的激励声相比，差异达到了100：1。因此，在整车部件设计中，对于具有高精度要求的齿轮尺寸来说仍然非常重要。
2 术语解释
对于理解噪声产生的机械和设计原理以及降低噪声来说，术语的解释是非常重要的。
2.1 齿距
指齿轮上相邻两齿之间的距离。良好的齿距意味着齿轮上有许多细小的齿，而粗糙的齿距则只有少数几个大齿。经验表明，齿轮的牙齿刚度与齿距没有直接关联。
2.2 齿距圆
指齿轮的有效工作圆。当用两个相同大小的圆盘代替一对齿轮时，这两个圆盘可以通过摩擦在齿轮箱中传递相同的运动。然而，准双曲面齿轮没有真正的齿距圆，因为它的牙齿会发生滑动和翻滚，无法用一个圆盘来代替。
2.3 传动误差
指输出齿轮的实际位置和理想位置之间的差异。通常用角位移或齿距点的线性位移来表示。传动误差是主要的齿轮噪声激励，并随载荷的变化而变化。
2.4 安装偏差
齿轮必须被精确地安装到齿轮箱中，以便按照设计意图进行啮合。如果旋转轴的错位或偏斜，相应的齿轮调整就必须避免错误的接触，这种调整可以有效地降低运行时的接触率并提高噪声水平。
2.5 载荷偏差
理论上，齿轮噪声也会因牙齿的刚度不同而产生。当一对齿轮相互作用时，分配到牙齿上的载荷增加会导致刚度增加，反之亦然。这种在恒定载荷下刚度的变化会导致齿轮在啮合频率下振动，并产生噪声。
尽管刚度变化引起的噪声在非汽车领域已经被认识到，但在现有的设计中尚未受到足够重视。主要原因是汽车动力总成齿轮通常设计用于承受较大的载荷，包括瞬时传递扭矩的增加。然而，齿轮噪声通常与较轻载荷（如低速时）有关。如果刚度变化非常明显，齿轮噪声在高载荷下可能会减少。因此，齿轮噪声并不是一个严重的问题。
然而齿轮噪声会随载荷变化而变化，经验显示齿轮牙齿在系统中属于非常刚性的零件，因此偏斜常常发生在支撑轴承和轴承座上，既然刚度是连续的，则齿轮安装偏斜就不会直接产生振动，但的确会从接触不足和低效率的轴接触率上产生噪声。
3 齿轮噪声的响应模式
齿轮噪声在一定共振响应频率上比其他响应更严重，扰动的高频特性非常明显，因此设计无响应的传动系统是不切实际的。在控制齿轮噪声时，需要注意动力总成弯曲的刚度要求和齿轮安装偏斜。对于后轴噪声，较好的控制方法是隔振和加阻尼。例如，如果发现一个传动轴在500~800Hz范围内辐射噪声，那么加阻尼比改变刚度更有效。然而，在变速箱中控制齿轮噪声时，加阻尼就不是一个可行的方法。因此，最有效的方法是利用隔振措施来控制齿轮噪声。
所有整车与动力总成的连接部位，如操纵连杆和拉线、发动机变速箱悬置、轴和悬架的安装点等，都是噪声传播路径，需要进行隔振控制。如果隔振和加阻尼不能满足后轴齿轮噪声的要求，那么可以考虑使用调谐吸振器。
3.1 安装要求
齿轮刚度要求应满足齿轮基座在满载时保持相对位置不变。这是噪声控制的最重要设计考虑依据，其他因素可以在设计优化和加工过程中解决。
螺旋升角：增加螺旋角会导致更高的接触面和轴接触率，但不会降低牙齿强度或增加连接推力。
3.2 追逐齿齿轮
全追逐齿齿轮组中，每个齿轮的牙齿数量不成倍增加。在这种情况下，一个齿轮的每个牙齿在另一个齿轮的同一个牙齿之前都会与其他牙齿完全啮合。由于统一的磨削现象更容易发生，因此追逐齿对于磨削齿轮仍然是必要的（磨削是一种使用研磨混合物与齿轮一起运行的精加工方法）。全追逐齿轮不必安装在相同的指示位置，而在研磨完成后，整体传动比与非追逐齿轮相关。
3.3 渐远运动
齿轮啮合时，应至少保留一个牙齿的空间。渐近运动是指让这对牙齿保持啮合直到它们的中心位于对正节圆上，而渐远运动是指让这个中心延伸到两个牙齿分开的位置。在齿轮设计时，理论上应考虑渐近比渐远短一些，渐远到渐近运动比应在1.2到1.5左右。
3.4 传动分配
变速箱的齿轮传动分配应使其自身运行稳定安静。通常，在相同环境下，使用复合行星齿轮比使用两个单行星轮产生更大噪声。在不同的行星级别上，齿轮啮合频率应有所不同。活动行星组在任何形变阶段的数量都应最小化，尤其是在二级齿轮和过传动齿轮中。改善噪声特性可以通过减少最终传动中的啮合齿轮数量来实现，惰轮则用于提供其他齿轮的啮合，并且可能成为潜在的噪声源。
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