雙級橋等高齒齒輪降低噪聲解決方案

針對某型雙級橋等高齒齒輪噪聲高的問題，利用KIMOS 軟件從齒形設(shè)計(jì)層面對該產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，減小了該產(chǎn)品的失配量，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的傳動誤差，同時通過產(chǎn)品的多輪熱試，根據(jù)熱試結(jié)果反調(diào)熱前切齒的理論模型，消除了熱處理變形的影響，穩(wěn)定了產(chǎn)品的加工制造工藝，為降低噪聲提供了解決方案。

隨著現(xiàn)代載貨汽車技術(shù)的發(fā)展，對載貨汽車齒輪傳動性能的要求越來越高。在高速重載的條件下，既要保證齒輪傳動的穩(wěn)定性和可靠性，又要盡可能地控制其振動和噪聲。2018年，某車橋廠就提出了齒輪的品質(zhì)提升目標(biāo)：2020年底，車橋齒輪類產(chǎn)品全部達(dá)到A 級標(biāo)準(zhǔn)，等高齒齒輪齒輪噪聲≤78 dB。這對從事齒輪技術(shù)工作的人來說,既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。

以某型雙級橋等高齒齒輪為例，筆者在現(xiàn)場收集了5 套產(chǎn)品的噪聲數(shù)據(jù)和傳動誤差的檢測記錄，見表1 與表2。從表中我們可以看出未進(jìn)行優(yōu)化前，正車面平均噪聲為90 dB，倒車面平均噪聲為89.8 dB。該噪聲是在空載時，小輪轉(zhuǎn)速1 300 r/min（車速約50 km/h）的條件下，在配對機(jī)上測得。與車橋廠的噪聲測試條件不同：將裝配到整橋上后，在橋殼內(nèi)加入齒輪油，小輪轉(zhuǎn)速1 300 r/min（車速約50 km/h）的條件下在橋包外進(jìn)行噪聲測量。車橋廠測量的結(jié)果一般會比表1 中的結(jié)果低2 ～3 dB。為方便對比，本文均采用第一種方法進(jìn)行噪聲測量。

表1 某型雙級橋等高齒齒輪噪聲記錄 （單位：dB）

表2 某型雙級橋等高齒齒輪傳動誤差記錄 （單位：dB）

優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

圓柱齒輪可以通過熱后的磨齒修形來降低齒輪嚙入和嚙出產(chǎn)生的振動和噪聲，而齒輪因?yàn)椴捎眠B續(xù)分度方法（Face Hobbing）進(jìn)行加工，無法磨齒，其熱后的精加工工藝只能通過研齒來降低嚙合噪聲。因此，針對等高齒齒輪的修形只能在熱前切齒的過程中進(jìn)行，利用KIMOS 軟件可以很方便地修改等高齒齒輪的齒面理論模型，配合克林貝格P65 齒輪檢測中心在切齒過程中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，得到完全符合設(shè)計(jì)要求的半成品齒坯。

因?yàn)樵摦a(chǎn)品已大批量制造，齒坯還有大量庫存，因此在不改變齒坯形狀和加工刀具的情況下降低噪聲是最優(yōu)的解決方案。在KIMOS 軟件中齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)分為三個部分：第一部分是失配量優(yōu)化（在KIMOS 軟件中叫Easeoff），如圖1 所示；第二部分是接觸區(qū)優(yōu)化，如圖2 所示；第三部分是傳動誤差優(yōu)化，如圖3 所示。這三個部分是相互聯(lián)動的，它們的變化可以通過5 個參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，這5個參數(shù)分別是螺旋角誤差dβ，壓力角誤差dα，齒長方向的鼓形量Lβ，齒高方向的鼓形量Hβ，齒長方向的對角變形dv，如圖4所示。

圖1 失配量Ease-off

圖2 接觸區(qū)

圖3 傳動誤差

圖4 齒形優(yōu)化的5 個參數(shù)

其中在降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的是齒形的失配量和傳動誤差。

單齒面?zhèn)鲃诱`差被定義為所測量的轉(zhuǎn)動角度與理論計(jì)算的轉(zhuǎn)動角度之間的差值，而理論計(jì)算的轉(zhuǎn)動角度為主動輪所轉(zhuǎn)過的角度與傳動比的倒數(shù)的乘積，如式1 所示。

如果一對齒廓完全共軛，則當(dāng)它們在嚙合時，被動輪所轉(zhuǎn)過的角度將與理論計(jì)算應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度完全一致，即傳動誤差為零。如果一對齒輪副存在長度和齒高方向的鼓形，實(shí)際嚙合過程中，就會存在周期性傳動誤差，即產(chǎn)生周期性的振動和噪聲，傳動誤差可以采用傅里葉級數(shù)進(jìn)行分析，其原理如圖5 所示。

從圖5 中我們可以看出，傅里葉分析頻譜信號隨階數(shù)增加衰減趨勢減弱，實(shí)際測量中一般只關(guān)注一階和二階傳動誤差。要達(dá)到降低齒輪嚙合噪聲的目的，只要降低齒長和齒高方向的鼓形即減小失配量就可以降低傳動誤差。

表3 齒面優(yōu)化前、后調(diào)整參數(shù)對比

圖5 傳動誤差分析的原理圖

齒面優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上優(yōu)化思路，筆者對該產(chǎn)品齒面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前、后的齒面調(diào)整參數(shù)，如表3 所示。我們可以看出，螺旋角誤差dβ 和壓力角誤差dα 略微做了調(diào)整，主要影響接觸區(qū)的在齒長方向和齒高方向的位置，而齒長方向的鼓形量Lβ 和齒高方向的鼓形量Hβ 都明顯有了改善。

螺旋角和壓力角及對角變形的變化對齒輪接觸區(qū)的影響。從表4 中可以看到，產(chǎn)品正車面螺旋角減小2ˊ40″，接觸區(qū)在齒長方向往小端移動，壓力角變小25″，接觸區(qū)在齒高方向往齒根移動，齒長方向的對角變形減小26′6″，即接觸區(qū)的內(nèi)對角減?。划a(chǎn)品倒車面螺旋角減小38″，接觸區(qū)在齒長9 方向往大端移動，壓力角增大1′57″，接觸區(qū)在齒高方向往齒頂移動；齒長方向的對角變形增大26′17″，接觸區(qū)的內(nèi)對角減小。

由表5 和表6 可知，鼓形量的改變對齒輪的失配量及傳動誤差的影響。從表4 和表5 中可以看到產(chǎn)品正車面小端齒頂?shù)淖畲笫淞繌?73 μm 降到了102 μm，大端齒根的最大失配量從233 μm 降到了178 μm，相應(yīng)的傳動誤差也從101.2 μrad 降到了81.1 μrad。而倒車面大端齒頂?shù)淖畲笫淞繌?85 μm 降到了122 μm，小端齒根的最大失配量從212 μm 降到了154 μm，相應(yīng)的傳動誤差也從103.5 μrad 降到了81.8 μrad。

表4 優(yōu)化前、后接觸區(qū)對比

表5 優(yōu)化前、后失配量對比

因此，經(jīng)過齒面優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，理論上產(chǎn)品的嚙合噪聲得到了顯著降低。

實(shí)踐驗(yàn)證

等高齒齒輪產(chǎn)品從鍛坯開始到成品入庫總共分為10 個工序。在整個工藝流程中，我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是切齒—熱試反調(diào)—一批切的過程，其中反調(diào)是根據(jù)產(chǎn)品熱處理試驗(yàn)后P65 的檢測結(jié)果來調(diào)整理論齒面模型以消除熱處理變形的影響。

表6 優(yōu)化前、后傳動誤差

熱前切齒要求實(shí)際齒面坐標(biāo)與理論齒面盡可能達(dá)成一致，通過P65 檢測可以很精確地測量出每個齒面的誤差情況，從而為接觸區(qū)設(shè)計(jì)和修正提供依據(jù)。切齒完成后進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的在于找出齒面熱處理變形的規(guī)律，然后通過反調(diào)理論齒面模型以預(yù)補(bǔ)償熱處理變形，從而消除熱處理變形對設(shè)計(jì)產(chǎn)生的干擾。批切即按照反調(diào)之后的理論齒面模型進(jìn)行切齒。這樣批切的產(chǎn)品經(jīng)熱處理之后，其齒面基本能夠與我們初始優(yōu)化設(shè)計(jì)時的齒面保持一致，因此，我們可以認(rèn)為批切的產(chǎn)品是滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求的。

在實(shí)際的制造過程中，傳動誤差是不能在熱處理前進(jìn)行檢測的，因?yàn)闊崆暗凝X輪硬度只有170 HB 左右，齒面在嚙合過程中很容易產(chǎn)生劃傷，因此傳動誤差的檢測安排在配對完成后進(jìn)行。由于傳動誤差、失配與接觸區(qū)位置大小是相互關(guān)聯(lián)的，因此在產(chǎn)品試制時我們只需要控制熱前及熱后接觸區(qū)來間接控制產(chǎn)品的嚙合噪聲。

研齒配對過程中檢測的產(chǎn)品噪聲記錄見表7，表8 為研齒后600HTT 檢測機(jī)檢測的傳動誤差記錄。從表8 的噪聲檢測結(jié)果與表1 的對比中我們可以發(fā)現(xiàn)，正轉(zhuǎn)噪聲經(jīng)過優(yōu)化后平均噪聲為81.86 dB，平均反轉(zhuǎn)噪聲為83.10 dB，兩個面的噪聲降低了7 ～8 dB。從表9 和表2 的對比中可以看到，產(chǎn)品凸面和凹面對應(yīng)的一階傳動誤差也有了大幅度降低。

表7 優(yōu)化后試制產(chǎn)品的噪聲記錄（單位：dB）

表8 研齒后傳動誤差檢測記錄（單位：dB）

結(jié)束語

通過KIMOS 軟件對產(chǎn)品的失配和傳動誤差進(jìn)行了優(yōu)化，并通過產(chǎn)品的試制驗(yàn)證該優(yōu)化方案可以大幅降低等高齒螺旋錐齒輪的嚙合噪聲，為我公司等高齒螺旋錐齒輪質(zhì)量提升給出了解決方案。從結(jié)果對比中我們可以看出，產(chǎn)品還有繼續(xù)優(yōu)化提升的空間，但是失配和傳動誤差過小，將導(dǎo)致產(chǎn)品的接觸區(qū)對安裝位置過于敏感，降低產(chǎn)品的一次配對合格率，導(dǎo)致成本升高。因此，質(zhì)量和成本的平衡點(diǎn)需要設(shè)計(jì)者自己尋找。