摩托车发动机齿轮传动噪声分析与控制
随着经济发展，摩托车作为一种方便快捷的交通工具深受消费者欢迎，但摩托车齿轮传动部分引起的噪声，长期以来一直困扰着人们。
笔者就发动机齿轮传动所引起的噪声做了一些初步探讨，通过实践并参考国外在齿轮设计、制造方面的经验，找出解决常见问题的方法，并推荐大家在设计时使用一些经验数据。
1、噪声产生的部位
同样是齿轮传动，由于在发动机中所处的传动部位不同，引起噪声的大小程度也不同。经过大量试验研究，对于换档变速发动机，相互啮合的一对初级传动齿轮副、机油泵传动齿轮副和常啮合式反冲起动是引起噪声的主要部位；而无级变速发动机，由于传动比变化大（i＝0.8～2.8），转速变化大，减速齿轮中驱动轴和从动齿轮副是引起噪声的主要部位。
长期以来，初级传动齿轮副引起的噪声已逐渐被人们所重视，而机油泵传动齿轮副引起的噪声却往往被人们忽视。对四冲程发动机来说，机油泵驱动齿轮大多装在曲轴上，属于高速传动部位，加工精度不够，会引起较大的传动噪声，如表1所示。
另外，在一些机型中，常啮合式反冲起动部分的起动惰轮，在正常运转情况下是空转，无负载，惰轮同时与2个齿轮啮合，加速时会引起较大的噪声；还有一些配气凸轮采用齿轮传动的机型，由于转速高，同样会产生严重的噪声。
当然，以上所列的只是发动机传动部位中产生噪声相对严重的部位，其它部位传动件也会因加工精度不够而产生噪声。如在某一档位或某一速度区域内出现严重异响，这种情况也是会经常出现的。
2、噪声的影响因素
根据GB/T 10095.2-2001我国现行齿轮标准，对齿轮传动有4个方面的要求：1）传递运动准确性，由第一公差组的Fi′、Fi″、Fp、Fw、Fr等几个评定指标控制；2）传动平稳性，由第2公差组成的fi′、fi″、ff、±fpb、±fpt等几个评定指标控制；3）齿轮载荷分布均匀性，由Fβ、Fb、±Fpx等几个评定指标控制；4）齿轮副侧隙，由箱体中心距和齿厚减薄量控制。
对每一对齿轮都必须有上述4项基本要求，而且根据使用工作条件不同，这4项要求也各不相同。当然，这几个方面也并非单一条件起作用，它们之间既有一定联系，又有主次之分。就摩托车发动机而言，传动平稳性要求和齿轮副侧隙要求应明显高于其它2个公差组的要求。
2.1齿形的影响
用同一台发动机，在检测初级驱动齿轮完全合格的情况下，更换初级从动齿轮，在转速相同的条件下，判定噪声出现程度，分为无、轻微、中等、严重4级。其结果为：1）齿形误差影响最明显；2)齿形误差比齿向误差影响明显；3）齿形误差比基节极限偏差影响明显。齿形参数对噪声的影响如表2所示。
根据啮合原理，当齿形为理论渐开曲线时，具有恒定的传动比，但由于齿形误差破坏了齿形的正确啮合，使瞬时传动比发生变化，从而引起噪声和振动。齿形误差所引起的噪声和振动属于内部附加动载荷影响，与齿轮制造精度、速度、惯性矩和润滑条件等有关。
2.2基节的影响
一对齿轮啮合的基本条件之一是两齿轮基节必须相等，当基节不平等时，如fpb1＞fpb2，换齿时会产生撞击，破坏传动平稳性（中间冲击）；fpb1＜fpb2，会形成脱齿撞击，同样破坏传动平稳性（边缘冲击）。
2.3齿向的影响
齿向对噪声的影响不如齿形敏感，但问题是相对的。笔者通过试验证明，当齿向＜0.015mm时，对噪声影响不大；但当齿向＞0.015mm时，载荷分布不均匀，齿面接触面积变小，局部磨损加剧，会产生严重异响。
2.4齿轮副侧隙的影响
齿轮副侧隙的作用是补偿齿轮加工误差和安装误差，补偿热变形和保证齿轮自由回转，并使啮合齿面间贮存足够的润滑油等。影响齿轮副侧隙的主要因素是箱体中心距和齿厚偏差。因此，对每一对齿轮来说，非工作齿面间一定要留有侧隙，以避免齿轮在传动中出现卡死或烧伤现象。
2.5箱体中心距的影响
即使齿轮加工精度很高，但箱体中心距加工精度不够（箱体中心距超差），也会直接影响齿轮副侧隙，使齿轮副侧隙被“减小”或“加大”，产生严重异响。近年来，大部分生产企业已采用加工中心或专机生产以确保箱体中心距的加工精度。
对法向侧隙的影响：Δjn＝2Δfasinα
对齿厚的影响：ΔEs＝2Δfatgα
式中：Δjn——法向侧隙偏差
ΔEs——齿厚极限偏差
Δfa——箱体中心距偏差
α——齿轮齿形角
2.6齿面粗糙度的影响
笔者在试验中还发现，个别齿轮在检测中虽各项检测参数均合格，齿形、齿向的检测曲线也在公差范围内，但曲线波动大，可见齿面粗糙度和磕碰、毛刺也是产生噪声异响的一个重要方面。
3、解决措施
由于齿轮齿存在制造和安排误差、齿轮弹性变形、扭转变形、热形等，均会使齿轮在啮合过程中产生冲击、振动和偏载，而靠提高齿轮制造和安装精度来改善齿轮的运转质量，又会增加齿轮的制造成本。过去人们总是力求使齿轮的精度尽可能地接近理论齿形，通过实践，采用齿顶和齿根修缘、齿向修形后，能有效地改善轮齿的啮合性能，提高运转平稳性及承载能力，降低噪声和振动，延长使用寿命。
3.1从齿形方面入手
3.1.1齿形的优化设计
齿形修形的基本原则：
a）根据齿形的材料、模数、负载大小及精度等，选取适当的修形量，一般在0.007～0.03mm的范围内。修形量小，齿形的制造误差大于齿形修形量，达不到目的；修形量大，重合度系数下降，适得其反。
b）直齿轮沿啮合线有一段长度等于一个基节的部分应留下来不修形，以保证重合度＞1。
c）斜齿轮重合度大，实际啮合线可以比标准渐开线齿轮短一些。
d）啮出端和啮入端修形长度应相等。
e）齿形和齿向修形通常用于一对齿轮中的一个。
f）同等条件下，斜齿轮的修形量要小于直齿轮的修形量。
3.1.2提高齿形的精度
齿形误差主要由滚刀的齿形误差，滚刀径向、轴向跳动、滚齿机分度蜗杆的径向、轴向跳动等因素形成。为此，适当控制滚刀精度、设备精度，增加除修形部分外齿形的精度，可大大提高传动质量，减少噪声。同时，企业和刀具厂家应联合研制能满足使用要求的特殊刀具，是今后发展的必然趋势。
3.2 从齿向方面入手
齿向的优化设计：由于斜齿形的载荷首先作用在螺旋线前端部分，然后再逐渐扩展到全齿宽上，因此，对初级传动齿轮采用斜齿轮设计，并对斜齿轮进行齿向修形，对减小啮合冲击很有效。修正的齿向线可为鼓形线、齿端修薄线或其它曲线。根据笔者经验，对初级传动齿轮，应按实际齿宽不同，在齿向展开曲线上实施0.004～0.008mm左右的鼓形量。
3.3从减小啮合冲击方面入手
除以上方法外，还可从减小啮合冲击来减小轮齿误差和受载变形引起的脉动冲击和噪声，具体来说：1）严格控制基节和周节误差；2）尽可能使齿轮啮合时端面重合度大些；3）使主动齿轮基节值大于被动齿轮基节值，但差值就＜0.004mm；4）直接对齿顶实施倒棱，一般为（0.15-0.3）×45°；5）齿轮刚性越大，振动和冲击越大，初级从动齿轮如采用铸铁件或粉末冶金件，利于吸收振动和冲击。强度要求小的齿轮还可采和工程塑料件代替钢件，效果更好。
3.4提高表面粗糙度，减小磕碰和毛刺
磕碰和毛刺是目前国内各齿轮行业普遍存在的难题，以往在生产、包装和运输等环节中，往往被人们忽视。如今这些问题已引起人们的重视，一些相应的去毛刺、提高表面粗糙度的设备，如珩齿机、倒角机、光饰机等的应用及企业管理水平的提高，都大大提高了齿轮的总体质量水平。
3.5其他方面
严格控制箱体中心距、两轴孔的轴线平等度、轴承游隙的大小、提高装配精度、消除装配中的变形、提高零部件清洁度、合理选择转动齿轮在轴上的配合间隙和使用合适的润滑油等，均可大大减少噪声发生。另外，径向综合误差Fi″检查能模拟齿轮实际啮合状态，快捷、直观，给生产带来了很多方便，值得企业推广使用。特别提出的是，有的噪音是由于公法线值略大或少量毛刺、磕碰引起的，在磨合期过后，噪声便会消失，此种情况应分别对待。
4、经验借鉴
根据实践并参考国外在齿轮制造方面的经验，我们对不同传动部位提出了不同的设计要求如表3所示。其中Fi、Fi″值与国标中的要求不完全一致。
应视具体情况不同有所不同，不可机械照搬，如在某些车型中，机油泵从动齿轮采用工程塑料代替钢件，其精度要求当然也就不同。
总之，不论是对齿形进行优化设计，还是采用其它方法，都应遵循既要达到设计使用要求，又不至于因提高齿轮精度而增加成本这一基本原则。
