隨著我國汽車行業的發展，公眾對車輛安全性、駕駛性以及駕駛艙舒適性提出較高要求，提高汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度(noise vibration harshness，NVH) 性能可以有效提升汽車產品的競爭力。變速箱是汽車動力總成的重要組成部分，變速箱噪聲是整車噪聲的重要來源之一，對整車 NVH 性能影響較大。傳動齒輪是變速箱的核心部件，其振動是變速箱振動噪聲的主要激勵源，對變速箱傳動齒輪的振動控制是改善整車 NVH 性能的關鍵。
目前國內對變速箱及齒輪傳動系統 NVH 性能的研究主要集中于優化變速箱結構，關于傳動齒輪齒廓形狀對 NVH 影響的研究較少。本文中基于某款轎車用自動變速箱，根據傳動齒輪的齒廓形狀差異，以齒廓存在 S 形曲線的齒輪(下文簡記為 S 形齒廓齒輪) 為研究對象，分析齒廓誤差對整車 NVH 性能的影響。
一、振動噪聲產生機理
齒輪噪聲產生的主要原因是齒輪副的傳遞誤差，傳遞誤差 δTE是描述齒輪傳動不平穩性的參數，示意圖如圖 1 所示。由圖 1 可知：當主動齒輪齒廓 A 和被動齒輪齒廓 B 相嚙合時，被動齒輪應被主動輪勻速帶動，但由于嚙合的齒輪副存在制造、裝配誤差以及齒面受載變形等原因，被動齒輪的實際齒廓會在 B' 處，主動齒輪齒廓 A 需多轉 1 個角度 δ，沿嚙合線繼續移動一個附加距離，這個附加距離即為 δTE。
圖 1 齒輪副傳遞誤差示意圖
理想情況下，如果齒輪傳遞動力時非常平穩，則發出的聲音非常微小。由于存在 δTE，使齒輪副在嚙合( 嚙入、嚙出) 時偏離了理論嚙合線，輪齒發生沖擊，引起傳動系統振動。在振動傳遞到變速箱外部結構的過程中產生共振而引發噪聲。當齒廓誤差增大時，齒輪的 δTE增大，致使嚙合齒輪副間的摩擦、變形、沖擊加劇，從而產生振動和噪聲，減小 δTE 可有效改善齒輪傳動噪聲。
二、試驗方法和數據分析
S 形齒廓：某齒輪齒廓測量曲線如圖 2 所示。由圖 2 可知：該齒輪齒廓上存在明顯的 S 形曲線，如圖中紅線所示。齒廓上的 S 形曲線主要是由齒輪制造過程的加工精度不夠、設備裝夾精度不夠、刀具壽命設定不合理等原因導致。
圖 2 齒輪齒廓測量曲線
試驗方法：由于傳動齒輪的振動是變速箱噪聲的主要噪聲源和激勵源，試驗以變速箱中不同齒廓的傳動齒輪為基礎，分別搭載同一類型變速箱進行下線臺架(end of line，EOL) 振動測試和整車 NVH 測試，分析不同齒廓對整車 NVH 性能的影響。
EOL 振動測試：變速箱分別裝配正常齒輪、S 形齒廓齒輪，進行 EOL 振動測試。通過安裝在臺架測試設備上的振動傳感器采集變速箱豎直方向上的振動加速度，振動傳感器布置在變速箱殼體(表面) 頂部靠近傳動齒輪且剛性較好的位置，EOL 振動測試設備如圖 3 所示。EOL 振動測試原理為：發動機將動力輸 入到變速箱的輸入軸，通過軸上的齒輪嚙合將動力傳遞給輸出軸，這是發動機動力傳遞的路徑，同時也是變速箱振動的來源，因此，通過測量變速箱殼體振動評估變速箱內部振動，利用采集得到的變速箱振動信號進行 NVH 診斷。
圖 3 EOL 振動測試設備
整車 NVH 測試：整車 NVH 測試與評價通常采用主觀評價法，由于個人主觀感受的差異使得測試結果具有較大波動。為避免主觀評價結果的波動性，將正常齒輪、S 形齒廓齒輪裝配變速箱再裝載至整車，在整車發動機艙變速箱位置及車內駕駛座人耳右側位置布置麥克風，進行聲壓級測試，采集整車噪聲。整車 NVH 測試設備安裝位置如圖 4 所示。
圖 4 整車 NVH 測試設備安裝位置
試驗數據分析
EOL 振動測試結果：本文中采用振動加速度級評價振動源和環境振動強度。振動加速度級
式中：as為實測加速度，m /s2；a0為基準加速度，a0 = 10-5 g，其中，g 為自由落體加速度。
變速箱的振動加速度測試結果如圖 5 所示。由圖 5 可知：裝配 S 形齒廓齒輪的變速箱，其振動加速度級明顯高于裝配正常齒輪的變速箱，裝配正常齒輪、S 形齒廓齒輪的變速箱的振動加速度級在 48 階次處的差異最為明顯，分別為 50、81 dB，相差 31 dB。
圖 5 變速箱 EOL 振動加速度測試數據
整車 NVH 測試：整車聲壓級數據對比如表 1 所示。
由表 1 可知，裝配 S 形齒廓齒輪的整車發動機艙聲壓級為 82 dB，比裝配正常齒輪的發動機艙的聲壓級高 12 dB，增幅明顯。由于整車聲學包裹改善了車內的噪聲，相比于發動機艙，駕駛艙的聲壓級大幅降低，裝配 S 形齒廓齒輪的整車駕駛艙聲壓級為 37 dB，比裝有正常齒輪的整車高 7 dB，NVH 性能表現也相對較差。
S 形齒廓齒輪的變速箱裝到整車后，變速箱 EOL 臺架振動加速度級明顯加大、振動能量變大，整車 NVH 測試表明，NVH 性能變差，給客戶帶來較差的 NVH 體驗。
三、優化
消除齒輪的 S 形齒廓是改善變速箱及整車的 NVH 性能的有效途徑。可以通過多種措施優化齒形，消除 S 形齒廓的產生，首要措施是提高齒輪加工精度，如調整加工工藝參數、提高設備裝夾精度、控制刀具壽命等。經過實際加工制造驗證，在滿足齒輪各項參數要求的前提下，綜合考慮加工工藝、改進成本、改進效果等多方面因素，最終確定通過嚴格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的 S 形波動，改善變速箱及整車的 NVH 性能，提高變速箱產品的市場競爭力。
四、結語
通過變速箱 EOL 振動測試和整車 NVH 測試，研究變速箱 S 形齒廓齒輪對整車 NVH 性能的影響。結果表明，S 形齒廓齒輪使得變速箱 EOL 臺架振動能量變大，在 48 階次的振動加速度級增加 31 dB，增幅最大;NHV 測試發動機艙及車內駕駛艙的聲壓級分別增加 12、7 dB，變速箱及整車的 NVH 性能較差。綜合考慮加工工藝、改進成本、改進效果等多方面因素，最終確定嚴格控制齒輪加工珩磨輪壽命消除齒廓的 S 形波動。