王澤貴

(上海汽車變速器有限公司, 上海 201822)

0 引言

汽車行業(yè)齒輪振動(dòng)噪聲現(xiàn)象中，通常最為常見的就是齒輪嘯叫和敲擊兩類噪聲。齒輪嘯叫噪聲一般都是指與主動(dòng)齒輪齒數(shù)直接相關(guān)的階次，包括基階次及其諧振階次。在齒輪諧振階次中，除了存在齒數(shù)的整數(shù)倍階次，還存在主動(dòng)齒數(shù)的分?jǐn)?shù)倍階次，分?jǐn)?shù)倍階次通常在行業(yè)內(nèi)被稱之為“鬼階”[1]。

無(wú)論是整數(shù)倍齒輪階次，還是分?jǐn)?shù)倍齒輪階次，都可以統(tǒng)一理解為齒輪嚙合振動(dòng)的諧振階次。本文主要集中研究齒輪表面波紋度階次噪聲的特點(diǎn)，分析與探討其激勵(lì)機(jī)理，提出這一類噪聲的優(yōu)化改進(jìn)方向，并通過(guò)實(shí)際齒面波紋度噪聲改進(jìn)案例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 齒輪波紋度階次噪聲及分析

某汽車減速器產(chǎn)品在研發(fā)批產(chǎn)前階段，發(fā)生令人困惑的“鬼階”階次噪聲。圖1是該減速器結(jié)構(gòu)布局圖，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只有兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，根據(jù)各齒輪齒數(shù)計(jì)算，得到這兩對(duì)齒輪副的基礎(chǔ)階次到四倍階次，如表1所示。這四個(gè)齒輪制造工藝都是采用淬火熱處理后磨齒方式。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)更換齒輪排查試驗(yàn)確認(rèn)，是圖1中的中間軸上主動(dòng)齒輪3的齒面存在制造加工異常，其下線監(jiān)測(cè)臺(tái)上階次噪聲表現(xiàn)如圖2所示，出現(xiàn)二級(jí)主減齒輪副基礎(chǔ)一倍11.7階、二倍23.5階和三倍35.2階尖峰異常階次。

圖3是該齒輪表面三維形貌圖，應(yīng)用泰勒-霍普森形貌儀檢測(cè)[2-4]，從齒頂?shù)烬X根并沿著嚙合對(duì)角線方向，可以發(fā)現(xiàn)隱藏在粗糙度成分之中的波紋度曲線，如圖中圈出的兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，波峰波谷輪廓算術(shù)平均高度在0.02 mm即20 um左右，一個(gè)波峰或波谷寬度在10 mm左右，一個(gè)齒面嚙合過(guò)程中，構(gòu)成三次波形階躍式激勵(lì)，即圖2中存在與其齒數(shù)相關(guān)的一倍、二倍和三倍頻階次。

圖1 某電動(dòng)汽車減速器結(jié)構(gòu)布局圖

表1 減速器齒數(shù)和階次表

圖2 減速器總成下線監(jiān)測(cè)階次圖

圖3 波紋異常齒面三維表面形貌檢測(cè)圖

圖4是該齒輪齒面?zhèn)鬟f誤差曲線檢測(cè)圖，應(yīng)用格里森齒面接觸計(jì)量?jī)x檢測(cè)[2-4]，該圖中可以直觀地看出，每個(gè)大波形表示一個(gè)齒節(jié)，由一個(gè)齒輪的三個(gè)相同齒節(jié)組成，其傳遞誤差值TE大約在0.004 mm。該傳遞誤差曲線檢測(cè)圖，與圖3三維形貌圖相對(duì)應(yīng)，如圖4中圈出的分叉波形，也是由兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷組成。

圖4 波紋異常齒面?zhèn)鬟f誤差曲線檢測(cè)圖

綜合以上分析還可以得出，齒面波紋度與齒面?zhèn)鬟f誤差，這兩者之間存在較強(qiáng)相關(guān)一致性，即波紋度誤差可以構(gòu)成一種波形階躍激勵(lì)。另外，結(jié)合該問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)分析與驗(yàn)證結(jié)果可知，只有當(dāng)該齒輪磨齒加工發(fā)生異常抖動(dòng)，齒面波紋度是相比齒輪副其它激勵(lì)源比較突出時(shí)，才會(huì)構(gòu)成較為突出的倍頻階次或明顯的齒輪嘯叫噪聲。通過(guò)在磨床上改進(jìn)該磨齒工藝后，齒面波紋度參數(shù)基本可控制在波紋輪廓算術(shù)偏差Wa≤13 um和波紋輪廓陡度Wku≤4.0范圍[5-8]。

2 齒輪波紋度階次噪聲機(jī)理探討

如圖5所示，對(duì)于任何一個(gè)連續(xù)回轉(zhuǎn)類摩擦副，其表面波紋度都可以構(gòu)成以每一轉(zhuǎn)為一個(gè)周期的幾何形狀的誤差激勵(lì)，且該連續(xù)回轉(zhuǎn)的幾何誤差激勵(lì)可以分解為，一系列不同大小波形組成的階躍式激勵(lì)[9-14]。圖5中的幾何圖形還可用數(shù)學(xué)方法進(jìn)一步描述，如式(1)所示，等式左邊幾何誤差波形，可以看作一個(gè)在無(wú)數(shù)回轉(zhuǎn)圓周r上2kπ上連續(xù)可積，且以轉(zhuǎn)速n每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)間為周期函數(shù)r(t)，則等式右邊分解波形可以傅里葉級(jí)數(shù)在時(shí)域t內(nèi)展開：

(1)

圖5 回轉(zhuǎn)類摩擦副表面波紋度階次激勵(lì)構(gòu)成原理示意圖

在此有必要補(bǔ)充一點(diǎn)，盡管對(duì)于實(shí)際齒輪回轉(zhuǎn)摩擦副，除了齒面幾何波形激勵(lì)外，還存在滾動(dòng)、滑動(dòng)速度不同步的滑移激勵(lì)，輪齒彈性變形形成的嚙入、嚙出沖擊，以及軸承支撐及裝配帶來(lái)的誤差激勵(lì)等多種激勵(lì)，但這并不影響回轉(zhuǎn)齒輪摩擦副表面波紋度這一幾何誤差單因素分析[9-14]。因此，如果要消除波紋度階次噪聲，則需要將波紋度幅值降到其它激勵(lì)源幅值之下，至少讓它不要成為主要突出激勵(lì)。

3 齒輪波紋度階次噪聲改進(jìn)驗(yàn)證案例

某六檔前置前驅(qū)手動(dòng)變速器PPAP階段，在四、五、六檔發(fā)生鬼階嘯叫噪聲，如表2所示，即各個(gè)鬼階都不與本檔位齒輪副階次呈倍數(shù)關(guān)系，但與主減齒輪副階次之比，都統(tǒng)一指向一個(gè)固定分?jǐn)?shù)比例值3.77，這直接把問(wèn)題矛頭對(duì)準(zhǔn)主減齒輪副，并經(jīng)過(guò)ABA更換主減從動(dòng)大齒輪得到進(jìn)一步鎖定，然后對(duì)主減從動(dòng)大齒輪，進(jìn)行其齒面磨削加工后幾何參數(shù)分析，確認(rèn)其存在齒面幾何參數(shù)質(zhì)量及加工工藝問(wèn)題，齒面實(shí)際狀態(tài)如圖6所示。圖7是主減大齒輪加工工藝改進(jìn)前、后，下線監(jiān)測(cè)臺(tái)上四檔校驗(yàn)階次圖，如方框所圈階次，改進(jìn)后各檔“鬼階”噪聲完全消失。

表2 某橫置前驅(qū)六檔手動(dòng)變速器鬼階

圖6 某變速器齒輪表面加工幾何異常照片

Fig.6 Photo of the gear surfaces with abnormal machining geometry

圖7 某變速器齒輪加工改進(jìn)前、后下線四擋監(jiān)測(cè)齒輪階次圖

4 結(jié)論

綜合全文分析論證及案例驗(yàn)證，得到的主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)齒面波紋度相比齒輪副其它激勵(lì)源比較突出時(shí)，如磨齒齒面波紋峰谷算術(shù)平均高度Wa達(dá)到20 um，將發(fā)生波紋度嘯叫階次噪聲，其階次值等于主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，各齒面波紋度波峰和波谷總數(shù)量。齒面波紋度形成的階次值、每一轉(zhuǎn)齒面上波峰波谷總數(shù)量和齒面接觸傳遞誤差曲線局部分叉的波峰波谷數(shù)量，三者數(shù)值上完全一致；

2) 解決齒輪波紋度形成的階次噪聲措施，主要是要將其波紋度幅值降到其它激勵(lì)源幅值之下，使其不成為齒輪副主要突出的激勵(lì)源，如本文磨齒齒面波紋度波峰波谷算術(shù)平均高度Wa改進(jìn)到10 um以下較好；

3) 連續(xù)回轉(zhuǎn)類齒輪摩擦副表面幾何結(jié)構(gòu)激勵(lì)，可以看成是以每轉(zhuǎn)為周期的連續(xù)可積函數(shù)r(t)和相應(yīng)展開的無(wú)窮階次組成的傅立葉級(jí)數(shù)，齒面波紋度形成的“鬼階”始終與主動(dòng)齒輪齒數(shù)呈一個(gè)固定比例關(guān)系，且通常情形下為分?jǐn)?shù)值比例關(guān)系，如本文有變速器四、五、六檔階次都與主減階次呈3.77比值；

4) 根據(jù)齒輪表面波紋度“鬼階”值始終與主動(dòng)齒輪齒數(shù)呈一個(gè)固定比例關(guān)系，可為工程階次噪聲問(wèn)題排查，提供一種快速有效的判定方向或依據(jù)，當(dāng)然“鬼階”的成因還有齒輪副其它激勵(lì)類型的情形。