基于傳動誤差控制的準雙曲面齒輪NVH影響研究

莫易敏，楊君健，李其明，黃業(yè)財

(1.武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070；2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司,廣西 柳州 545007)

準雙曲面齒輪作為后驅車型的傳動機構，具有減速增矩和改變動力傳遞方向的作用，評價其嚙合性能好壞的指標主要是 NVH(noise vibration harshness)性能。針對傳動誤差及NVH問題，LITVIN等[1]提出了對稱拋物線型傳動誤差曲線以減小嚙合沖擊；方宗德等[2]提出了通過設計弧齒錐齒輪的傳動誤差來提升嚙合質量的概念；劉國政等[3]通過有限元模型仿真分析了準雙曲面齒輪的傳動誤差；儀垂杰等[4]通過對后橋噪聲譜及噪聲功率的測量、分析，提出了優(yōu)化NVH性能的方法。這些研究對汽車后橋主減噪聲的控制提供了理論支撐。關于傳動誤差的控制問題，曹雪梅等[5]分析了傳動誤差、重合度和噪聲的關系，提出通過提高重合度、降低傳動誤差來提升齒輪嚙合性能，然而并未指出傳動誤差的取值標準；SMITH[6]提出了為保證嚙合性能，傳動誤差應該控制在一定的數(shù)值以下，但忽略了傳動誤差的下限值。大量基礎性的路試研究表明，傳動誤差的取值應該是一個范圍值，但國內外鮮有對于該范圍值的研究。

在微車制造企業(yè)，一般通過控制接觸區(qū)質量來控制齒輪的品質，傳動誤差不作為裝車測試NVH性能的指標。然而大量的裝車測試表明，即便是接觸區(qū)普遍較好、傳動誤差均在控制值之內，同一批裝車測試的NVH結果依舊不能夠穩(wěn)定地控制在合格值之內。這主要是因為接觸區(qū)對加載力矩和安裝誤差較為敏感，滾檢機測得接觸區(qū)與實際裝車會有區(qū)別，且接觸區(qū)合格并沒有嚴格而唯一的評判標準；而傳動誤差是定性參數(shù)，可以真實反映齒輪的嚙合性能。咨詢車橋廠商東風德納、美橋(AAM)等可以發(fā)現(xiàn)，目前高端的后橋準雙曲面齒輪生產(chǎn)越來越不看重滾檢接觸區(qū)，而是注重于齒形、傳動誤差等定性參數(shù)。因此在控制接觸區(qū)品質的前提下，研究傳動誤差對準雙曲面齒輪NVH性能影響顯得尤為重要。

1 傳動誤差曲線的設計

傳動誤差是指主動齒輪轉過某一角度時，從動齒輪的實際轉角和理論轉角之間的偏差。其表達式為：

(1)

傳動誤差曲線是評價準雙曲面齒輪嚙合性能的重要指標。若齒對間嚙合能夠連續(xù)過渡，理想的傳動誤差曲線應為一對稱的拋物線，相鄰齒對的傳動誤差曲線必須相交，且最大限度地使輪齒在嚙入和嚙出時的雙齒嚙合區(qū)相等。這樣有利于降低由齒輪副安裝誤差引起的沖擊和振動,提升NVH性能。著名齒輪專家LITVIN教授提出的對稱拋物線型傳動誤差曲線如圖1所示。

圖1 傳動誤差曲線

該曲線中理論傳動誤差的計算公式為：

(2)

相鄰曲線的交點為“轉移點”，在這一點處，一對輪齒的接觸轉移到下一對輪齒。被動輪的速度在轉移點處有一個驟然的跳躍，這個速度就是下一個主動齒沖擊其相配齒的速度[7]。因此，這個速度差值可衡量每個齒嚙合時發(fā)生的沖擊大小，嚙合沖擊越小，齒輪副的NVH性能就越好。

2 傳動誤差影響因素分析

2.1 齒距誤差對傳動誤差的影響

影響準雙曲面齒輪傳動誤差的主要因素來源于加工過程中產(chǎn)生的齒形、齒距、齒面誤差及裝配過程中的安裝誤差。后者在裝車過程中取決于裝配及殼體制造的精度，在加工生產(chǎn)中，一般研究齒輪加工誤差。研齒是齒輪生產(chǎn)的最后一道精加工工序，研后的齒輪幾何誤差決定齒輪的齒形[8]。

在某車企生產(chǎn)車間，齒輪生產(chǎn)以360套為一個刀具加工周期。前期為控制熱后接觸區(qū)，選擇其中一個周期編號1～360，并以“首5件、第20件、第40件、…、末5件”為原則從中抽取27套齒輪進一步做“切齒反調”試驗，得到熱后接觸區(qū)均為中偏小端，如圖2所示。

圖2 熱后接觸區(qū)

再從中挑選10套經(jīng)格里森600 HTL設備研齒加工之后作為裝車候選，并用Gleason 350 GMM設備檢測研前研后齒輪幾何誤差，同時記錄格里森600 HTT滾檢機測得的傳動誤差數(shù)值，齒形數(shù)據(jù)記錄如圖3所示。

圖3 研齒前后齒輪幾何精度誤差變化

由圖3(a)和圖3(b)可知，研齒之后的10套齒輪螺旋角誤差變化在1.5′以內,壓力角變化量在4′以內；由圖3(c)可知，研齒后主被齒齒形變化量在4′以內，變化量較?。挥蓤D3(d)可知，研齒后齒距累積誤差明顯減小，主被齒變化量均在11′左右，是齒形變化量的3倍。說明研齒之后齒輪精度變化主要是由于齒距誤差變化。

圖4 研齒前后傳動誤差值

研齒前后齒輪傳動誤差值如圖4所示，可以看出研齒后齒輪的傳動誤差急劇減小，說明在齒輪加工誤差中，齒距誤差對傳動誤差影響較大，且研齒工序可以有效控制傳動誤差值。

2.2 齒距誤差影響傳動誤差的機理

齒距誤差，也就是齒距嚙合偏差，是指一對齒輪嚙合時兩輪配對輪齒的法面齒距偏差之和。輪齒配對后，考慮齒距偏差時，其法向齒距嚙合偏差Δt為：

(3)

式中：t為齒距；i，j為互相配對的大小輪齒的編號。

齒距嚙合偏差的存在，會導致單一輪齒傳動誤差曲線在參考點附近偏置[9]。當齒距嚙合偏差為負值時，表示當前輪齒提前進入嚙合狀態(tài)；當齒距嚙合偏差為正值時，表示當前輪齒滯后退出嚙合狀態(tài)。受不同齒距嚙合偏差作用時的傳動誤差示意曲線如圖5所示。

圖5 不同齒距誤差下的傳動誤差曲線

由圖5可知，如果2號輪齒為當前嚙合齒，則1號輪齒將滯后退出嚙合，3號輪齒將提前進入嚙合狀態(tài)。這種齒輪滯后退出或提前進入嚙合的狀態(tài)，會使齒面分布載荷的最大載荷分別向嚙出端或嚙入端偏移，在小輪或大輪頂部產(chǎn)生邊緣接觸。隨著齒距誤差的增大，齒輪實際重合度下降，齒面印痕偏移加劇，出現(xiàn)比較嚴重的邊緣接觸，對齒輪的振動噪聲和強度都將產(chǎn)生明顯影響[10]。

因此，齒距誤差會影響每一單對輪齒的嚙合情況，而這種單個輪齒的嚙入嚙出會產(chǎn)生沖擊，是噪聲的主要來源。而滾檢機測得的傳動誤差值是多對輪齒的累計轉角誤差值，也是多對輪齒嚙合偏差的綜合值，因此傳動誤差值無法反映單個輪齒的嚙合情況，也就是說并不是傳動誤差值越小，NVH性能越好。

3 傳動誤差對齒輪副NVH性能的影響

3.1 不同傳動誤差下的NVH裝車試驗

在控制接觸區(qū)位置均在中偏小端且一致性良好的情況下，從中挑選10套進行裝車。該批次齒輪研后傳動誤差數(shù)值均在30 μrad以下(某公司的生產(chǎn)標準)，但數(shù)值有明顯差異。NVH測試的工況為五擋全油門加速和五擋滑行：五擋全油門加速為主齒驅動被齒的傳動過程，五擋滑行為被齒驅動主齒的傳動過程。齒輪研后傳動誤差數(shù)值如表1所示。

表1 10套齒輪研后傳動誤差

NVH整車路試測試系統(tǒng)主要包括40通道的LMS SCADAS Mobile SCM05移動式數(shù)據(jù)采集前端、ICP麥克風、轉速傳感器、計算機及LMS Test.Lab振動噪聲試驗軟件系統(tǒng)。由于主減速器主齒為10齒，變速器五擋速比為0.799，主齒嚙合頻率為發(fā)動機轉動頻率的12.52倍，因此主減速器齒輪噪聲階次為12.52。路試NVH試驗做兩組聲壓值測試計算，一組為Overall level整體強度計算整體噪聲，另一組為噪聲階次為12.52的主減速器等高齒輪傳動噪聲。NVH測試系統(tǒng)原理和實體接線如圖6所示。

圖6 NVH測試系統(tǒng)

由于后橋準雙曲面齒輪副是后橋主減速器振動與噪聲的主要來源，將麥克風放置于后排座椅中間，12.52階次噪聲主要反映后橋準雙曲面齒輪副的NVH水平[11]。隨機抽查兩對齒輪副，分別編號為1#和2#，兩對齒輪副的峰值噪聲值和NVH測試曲線分別如表2和圖7所示。

由表2和圖7可知：①1#齒輪階次噪聲在發(fā)動機輸出轉速為2 000～3 600 r/min的轉速域內，噪聲聲壓值在45～60 dB之間浮動，2#齒輪在47.5～65.0 dB之間浮動，高出1#齒輪2.5～5.0 dB；②1#齒輪五擋滑行工況下的噪聲基本低于57.5 dB，2#齒輪在3 100～3 300 r/min和3 500～3 600 r/min轉速域內，噪聲均高于57.5 dB，整體聲壓級偏高。

表2 1#和2#齒輪副峰值噪聲值

圖7 1#和2#齒輪副NVH測試曲線

1#與2#齒輪傳動誤差雖然都控制在30 μrad以下，然而數(shù)值有明顯差異，對于12.52階噪聲，1#齒輪比2#齒輪有更好的NVH性能表現(xiàn)。在兩者接觸區(qū)一致的情況下，NVH結果出現(xiàn)了偏差，說明單一的控制接觸區(qū)無法使齒輪合格，還應進一步控制傳動誤差的數(shù)值。

3.2 傳動誤差與NVH的對應關系

準雙曲面齒輪副的傳動誤差與其產(chǎn)生的噪聲緊密相關，傳動誤差越大，噪聲越大，故傳動誤差的數(shù)值不能過大，而傳動誤差過小則會失去非共軛齒面的優(yōu)勢，不足以吸收安裝誤差引起的線性誤差，因此傳動誤差的數(shù)值與NVH性能不是明顯的一一對應關系，其選擇有一個合理的范圍。

為滿足大批量生產(chǎn)中齒輪噪聲峰值不高于65 dB且一致性誤差不高于3.5 dB的要求，對該車間多個刀具周期的多個批次進行了大量的追蹤實驗，結合研齒規(guī)律和生產(chǎn)驗證，總結研后傳動誤差范圍：使用格里森600 HTL研齒機及進口研磨液研齒后正車面?zhèn)鲃诱`差控制在8～12 μrad，倒車面?zhèn)鲃诱`差控制在4～8 μrad時，可使汽車主減五擋加速噪聲峰值控制在60 dB左右，五擋滑行噪聲峰值控制在65 dB以下。具體傳動數(shù)值如表3所示。

表3 傳動誤差范圍

3.3 傳動誤差的最優(yōu)范圍驗證

為對上述傳動誤差范圍做進一步驗證，從一個刀具周期內以相同方式抽取了27套齒輪，然后再隨機抽取5套進行裝車。NVH測試工況仍為五擋全油門加速和五擋滑行，5套齒輪的研后傳動誤差值如表4所示。

表4 五套齒輪研后傳動誤差

由表4可知，5套抽檢測試的齒輪中：①120#和360#的傳動誤差均在總結的合理范圍之內；②220#正車面?zhèn)鲃诱`差在8～12 μrad之內，倒車面?zhèn)鲃诱`差高于8 μrad；③300#正車面?zhèn)鲃诱`差高于12 μrad，倒車面?zhèn)鲃诱`差低于4 μrad；④356#正車面?zhèn)鲃诱`差高于12 μrad，倒車面?zhèn)鲃诱`差在8 μrad左右。

NVH測試峰值噪聲值如表5所示，由表5可知：①120#和360#五擋加速噪聲峰值低于60 dB,五擋滑行峰值噪聲低于65 dB，屬于優(yōu)水平，與傳動誤差值優(yōu)范圍相符；②220#五擋加速峰值噪聲在60 dB線上，五擋滑行峰值噪聲高于65dB,主要是由于倒車面?zhèn)鲃诱`差值過大；③300#五擋加速和五擋滑行峰值噪聲均高于預期值，主要是因為其正車面?zhèn)鲃诱`差值過大且倒車面?zhèn)鲃诱`差過?。虎?56#五擋加速峰值噪聲高于60 dB,五擋滑行峰值噪聲低于65 dB，是由于正車面?zhèn)鲃诱`差值高于12 μrad。裝車主減的峰值噪聲與傳動誤差值范圍相符，且整體噪聲誤差不超過3.5 dB。

表5 五套齒輪兩個工況下峰值噪聲

4 結論

(1)準雙曲面齒輪副的傳動誤差與其產(chǎn)生的振動與噪聲緊密相關。以裝車路試和LMS Test.Lab NVH測試系統(tǒng)為載體，分別研究了接觸區(qū)控制及傳動誤差控制對齒輪NVH的影響，結果表明，單一的接觸區(qū)控制無法保證NVH性能合格，在保證接觸區(qū)合格的基礎上還應控制傳動誤差值。

(2)結合研后傳動誤差及大量NVH路試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：不是傳動誤差值越小，齒輪副NVH性能越好，傳動誤差值的選擇有一個合理的上下限范圍。

(3)對于該微車后橋準雙曲面齒輪副，保證研后正車面?zhèn)鲃诱`差值在8～12 μrad，倒車面?zhèn)鲃诱`差值在4～8 μrad時，可使汽車主減五擋加速噪聲峰值控制在60 dB左右，五擋滑行噪聲峰值控制在65 dB以下。該傳動誤差范圍值的確定為齒輪加工生產(chǎn)和優(yōu)化NVH提供了參考。