電動(dòng)汽車的變速器與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的變速器相比，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多，但對(duì)所用齒輪的生產(chǎn)制造精度提出了更高的要求。由于全新的質(zhì)量保證方法直接集成在嚙合裝置磨削的最終加工過(guò)程中，所以這些要求也可以在批量生產(chǎn)中得到滿足。

　　全電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器通常配有兩級(jí)不可換檔的變速器。我們可以認(rèn)為這大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)。最后，所描述的變速器結(jié)構(gòu)僅具有四個(gè)嚙合裝置，分布在驅(qū)動(dòng)軸上，帶固定輪的第二級(jí)上，中間軸上和車橋驅(qū)動(dòng)輪上。但情況并非如此簡(jiǎn)單：首先，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá) 16,000 轉(zhuǎn)/分鐘，遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)。為此，電動(dòng)機(jī)在廣泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供幾乎恒定的扭矩。與內(nèi)燃機(jī)不同的是，從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始就需要由變速器進(jìn)行處理。此外，還有一個(gè)額外的邊界條件使得生產(chǎn)制造比傳統(tǒng)的動(dòng)力總成更具挑戰(zhàn)性，正如 Kapp Niles 公司機(jī)器銷售主管 Friedrich W?lfel 所描述的那樣：“內(nèi)燃機(jī)掩蓋了變速器的噪音，因此這些噪音甚至不會(huì)被察覺(jué)到。與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)幾乎是無(wú)聲的。在超過(guò)大約 80 公里/小時(shí)的速度下，滾動(dòng)噪音和風(fēng)動(dòng)噪音是主導(dǎo)因素，與動(dòng)力總成無(wú)關(guān)。但是在低于這個(gè)速度的范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車中的變速器噪音會(huì)變得令人討厭。我們?cè)谏a(chǎn)制造齒輪時(shí)也必須考慮到這一點(diǎn)?！?/p>

　　當(dāng)然，即使是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，齒輪的側(cè)面承載能力和良好的運(yùn)行特性也是最重要的。但是幾乎穩(wěn)定不變的轉(zhuǎn)矩水平和高轉(zhuǎn)速需要嚙合裝置的不同設(shè)計(jì)，而這又可能對(duì)噪音特性產(chǎn)生影響。這方面的要求比內(nèi)燃機(jī)更高。

　　然而在以最節(jié)省的方式生產(chǎn)這些齒輪的壓力方面，電動(dòng)汽車的齒輪和傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器之間沒(méi)有區(qū)別。因此在電動(dòng)變速器嚙合裝置的批量生產(chǎn)中，通常也使用高生產(chǎn)率的滾動(dòng)磨削方法作為精加工過(guò)程。

　　Kapp Niles 公司是齒輪硬精加工方面的專家，因此公司的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)同樣高效的滾動(dòng)磨削過(guò)程，而且又能在噪音特性方面進(jìn)行優(yōu)化。

　　軌道上的變速器噪音

　　Kapp Niles 公司預(yù)開(kāi)發(fā)部主管 Achim Stegner 介紹了以下基本原理：“取決于嚙合裝置在結(jié)構(gòu)上定義的修正，例如：直線修正、寬度凸度、頂部后移，以及所謂的，加工方法所獨(dú)有的輪廓和直線交錯(cuò)，在嚙合時(shí)，變速器中產(chǎn)生獨(dú)特的噪音，可以將這些噪音分配給特定的齒嚙合頻率。整個(gè)變速器又同樣根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，在固體傳聲和輻射傳聲方面具有獨(dú)特的屬性。在這種情況下，以齒嚙合頻率及其倍數(shù)推動(dòng)這種噪音。制造商嘗試通過(guò)調(diào)整變速器和嚙合裝置的設(shè)計(jì)來(lái)盡可能降低這種效應(yīng)?！?/p>

　　目前這些考慮因素僅適用于“完美”嚙合裝置。齒輪當(dāng)然也和其他任何機(jī)械構(gòu)件一樣，在批量生產(chǎn)中也呈現(xiàn)出與理想額定幾何形狀的偏差。這些偏差都有不同的原因和影響，正如 Achim Stegner 所解釋的那樣：“除了齒嚙合推動(dòng)之外，還有其他干擾變量可能導(dǎo)致齒嚙合中的噪音。它們被認(rèn)為是所謂的幽靈頻率。幽靈頻率與齒嚙合頻率及其倍數(shù)不重合，并且在磨削時(shí)也可以被引入構(gòu)件中?！庇撵`頻率的原因是在批量生產(chǎn)中幾乎無(wú)法完全避免的不規(guī)則性。如果這些偏差幾乎以整數(shù)映射到齒輪的圓周上，則變得特別關(guān)鍵，因?yàn)檫@會(huì)推動(dòng)諧波。需要大量的技術(shù)訣竅和過(guò)程經(jīng)驗(yàn)來(lái)識(shí)別這些不規(guī)則性的原因，并盡可能提前避免這些不規(guī)則性。

　　這些干擾的原因例如可以在所使用機(jī)床的軸驅(qū)動(dòng)器中找到。電動(dòng)機(jī)具有一定的擺動(dòng)力矩。測(cè)量系統(tǒng)的工作采用離散的線數(shù)和裝配時(shí)產(chǎn)生的有限偏心誤差。平衡狀態(tài)和心軸軸承也可能有助于不規(guī)則性的產(chǎn)生。波動(dòng)尺寸從 0.1 mm 開(kāi)始，就可能導(dǎo)致嚙合裝置的噪音。Achim Stegner 還知道更多原因：“每臺(tái)機(jī)器都有固有振動(dòng)。例如，工件心軸獨(dú)特的固有頻率約為 250 Hz。此頻率也可以在滾動(dòng)磨削過(guò)程中不好的轉(zhuǎn)速情況時(shí)，以整數(shù)映射到工件上。我們可以通過(guò)我們的知識(shí)，即在加工時(shí)巧妙地選擇合適的轉(zhuǎn)速窗口，來(lái)消除這些影響?！?/p>

　　如果機(jī)器方面的優(yōu)化潛力得到了充分利用，就會(huì)有一系列的技術(shù)方案來(lái)改善構(gòu)件在噪音特性方面的質(zhì)量。這包括選擇磨削蝸桿的螺紋數(shù)、修整和磨削時(shí)的轉(zhuǎn)速比、精加工轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

　　誤差不等于錯(cuò)誤

　　粗略地說(shuō)，批量嚙合裝置磨削有兩種典型的錯(cuò)誤圖片：第一種呈現(xiàn)出特征不斷變化的趨勢(shì)。另一種有個(gè)別突出的構(gòu)件。趨勢(shì)通常更容易掌控。例如，它們是由于磨削蝸桿的逐漸磨損而產(chǎn)生的。如果在此超過(guò)允許的生產(chǎn)制造公差，則通?？s短兩個(gè)修整操作之間的周期就足夠了。在構(gòu)件檢測(cè)時(shí)，這些公差也可以通過(guò)測(cè)量值逐漸接近公差極限而被輕易識(shí)別出來(lái)。

　　但是特定構(gòu)件的錯(cuò)誤是無(wú)法預(yù)測(cè)的。它們由于一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的突然偏離而變得明顯。原因可能是磨削蝸桿斷裂、毛坯件缺陷或裝調(diào)錯(cuò)誤。

　　由于在諸如滾動(dòng)磨削這種高效生產(chǎn)制造過(guò)程中，齒輪加工本身比檢查測(cè)量所需的時(shí)間要少得多，因此也不能 100% 檢測(cè)所有構(gòu)件。此外，如開(kāi)頭所述，對(duì)電動(dòng)變速器嚙合裝置的質(zhì)量要求極高。“對(duì)輪廓角、側(cè)面線角、圓周運(yùn)轉(zhuǎn)和雙球尺寸要求的公差在某些情況下比傳統(tǒng)動(dòng)力總成小 3 倍。側(cè)面線角誤差 f_H? 的典型要求在 ±4 mm，內(nèi)燃機(jī)變速器的要求有時(shí)是 ±13 mm?！盕riedrich W?lfel 在描述其客戶要求時(shí)這樣說(shuō)。再加上所要求的機(jī)器和處理能力，這些質(zhì)量要求處于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性的邊緣地帶。此外，加工機(jī)器和過(guò)程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也無(wú)法任意提升。剩下的唯一出路是從分析和控制方法入手。否則：在機(jī)器/處理能力保持不變的情況下，公差極限越窄，被測(cè)量構(gòu)件的數(shù)量就越多。但是這會(huì)產(chǎn)生巨大的費(fèi)用。而且后面布置的構(gòu)件檢測(cè)也不會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。

　　特別是在考慮與額定幾何形狀之間，出現(xiàn)受趨勢(shì)所限制的偏差時(shí)的應(yīng)對(duì)方法，所謂的閉環(huán)現(xiàn)在已經(jīng)成為一種重要的輔助工具。從而加速和改善后面布置的嚙合裝置測(cè)量裝置和加工機(jī)器本身之間的反饋。在這種情況下，測(cè)量機(jī)器上的檢測(cè)結(jié)果不再被打印出來(lái)并提供給機(jī)器操作人員進(jìn)行紙上評(píng)估，而是作為標(biāo)準(zhǔn)化文件被直接傳遞到加工機(jī)器。磨床根據(jù)可預(yù)選的公差范圍自行決定是否必須在過(guò)程中進(jìn)行干預(yù)，例如通過(guò)可調(diào)整的修正值。如果意外出現(xiàn)與額定幾何形狀的過(guò)高偏差，則繼續(xù)操作的決定再次由操作人員自己作出(圖 1)。

圖1 閉環(huán)公差范圍

　　生產(chǎn)過(guò)程終點(diǎn)的裁判

　　在整個(gè)變速器的生產(chǎn)過(guò)程終點(diǎn)處，有所謂的 線末檢測(cè)臺(tái)。在那里不再僅僅檢測(cè)單個(gè)齒輪的質(zhì)量，而是評(píng)估裝配完成的變速器。這些變速器經(jīng)歷各種檢測(cè)循環(huán)，以模擬以后在車輛中的運(yùn)行。在此過(guò)程中還記錄運(yùn)行噪音。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析，聲學(xué)專家可以讀取嚙合狀況、典型頻率和可能的干擾噪音?！安恍业氖?，嚙合加工錯(cuò)誤直到制造過(guò)程結(jié)束時(shí)才會(huì)被發(fā)覺(jué)到”，F(xiàn)riedrich W?lfel 抱怨說(shuō)?！叭缓蟊仨毑鹦墩麄€(gè)變速器，檢測(cè)各個(gè)構(gòu)件，并在此基礎(chǔ)上分析哪個(gè)構(gòu)件是檢測(cè)臺(tái)上出現(xiàn)異常的原因?？赡苷麄€(gè)批次的構(gòu)件也產(chǎn)生了問(wèn)題。然而，只有完成了整個(gè)價(jià)值鏈，才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題?！?/p>

　　當(dāng)然，現(xiàn)在完全可以在安裝到變速器之前，就識(shí)別出可能產(chǎn)生噪音的構(gòu)件。在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中非常常見(jiàn)的方法是所謂的嚙合表面波紋分析。在這種分析中，在嚙合測(cè)量機(jī)上，對(duì)所有齒進(jìn)行齒廓、齒線和齒距測(cè)量，然后將它們排列在一起，以便在其整個(gè)圓周上映射齒輪。齒輪上的波紋可以用數(shù)學(xué)方法掌握。但是這種方法從齒輪的完整測(cè)量開(kāi)始，非常耗時(shí)，因此不適合批量生產(chǎn)制造中的 100% 檢測(cè)。對(duì)此 Friedrich W?lfel 說(shuō)：“典型電動(dòng)變速器構(gòu)件的磨削時(shí)間不到一分鐘，而測(cè)量時(shí)間就要四至六分鐘;在作為波紋分析基礎(chǔ)的全齒測(cè)量中，甚至?xí)r間明顯更長(zhǎng)。而且后面布置的構(gòu)件檢測(cè)也不會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。這里所需要的是對(duì)“過(guò)程中分析”繼續(xù)開(kāi)發(fā)，這種分析允許在加工過(guò)程中就所產(chǎn)生的構(gòu)件質(zhì)量得出結(jié)論?！?/p>

　　在加工時(shí)就識(shí)別出可能的噪音問(wèn)題

　　一個(gè)很有前途的方法實(shí)際上是在磨削過(guò)程中發(fā)現(xiàn)可能的錯(cuò)誤。過(guò)程監(jiān)控是關(guān)鍵詞。Achim Stegner 解釋了這種方法：“我們已經(jīng)在機(jī)器中安裝了許多傳感器和測(cè)量系統(tǒng)，它們可以為我們提供大量的信號(hào)、測(cè)量值和信息。目前我們主要使用它們來(lái)操作機(jī)器的功能。但是我們也希望在將來(lái)使用它們來(lái)直接在機(jī)器中評(píng)估加工過(guò)程。”

　　然而，這并不意味著將額外的觸覺(jué)測(cè)量功能集成到磨床中，以實(shí)現(xiàn)更快的閉環(huán)。這也不涉及直接在機(jī)器中檢查和評(píng)估已磨削構(gòu)件的問(wèn)題，也不涉及在生產(chǎn)其他構(gòu)件時(shí)修正可能偏差的問(wèn)題。重點(diǎn)其實(shí)是實(shí)時(shí)分析加工過(guò)程(!)，以便識(shí)別出與事先定義的參考過(guò)程的偏差。但是僅僅為來(lái)自機(jī)器的信號(hào)定義包絡(luò)曲線是不夠的。例如，這可以通過(guò)圖 2 中的“磨削心軸的電流消耗”信號(hào)來(lái)進(jìn)行解釋?？梢允褂迷撔盘?hào)來(lái)提前識(shí)別可能的側(cè)面線角誤差(f_H)。Stegner：“但是包絡(luò)曲線識(shí)別方法在這里達(dá)到了其極限，因?yàn)殄e(cuò)誤很難識(shí)別。只要信號(hào)保持在包絡(luò)曲線內(nèi)，就不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。因此也需要一種更智能的分析形式。一種嘗試模擬人類決策機(jī)制的人工智能。它根據(jù)大量不同的信息(與其經(jīng)驗(yàn)相疊加)作出決定，然后它根據(jù)這些決定采取行動(dòng)。

圖2? 加工過(guò)程中的錯(cuò)誤分析及指數(shù)計(jì)算

　　過(guò)程監(jiān)控：在為時(shí)已晚之前進(jìn)行干預(yù)

　　過(guò)程監(jiān)控可以定義為磨削過(guò)程中特定構(gòu)件的監(jiān)控和評(píng)估。如前所述，由傳感器信號(hào)生成操作指令并非微不足道。但這是可能的。從時(shí)間信號(hào)可以形成不同的特征值。在最簡(jiǎn)單的情況下，可能是信號(hào)的這些最大值或 RMS 值(Root Mean Square，均方根) )。然后通過(guò)算法將這些特征值與已知的項(xiàng)目數(shù)據(jù)匯總在一起，并處理成指數(shù)，例如噪音指數(shù)或蝸桿斷裂指數(shù)。特別是關(guān)于變速器噪音，Achim Stegner 解釋說(shuō)：“對(duì)于與噪音有關(guān)的關(guān)鍵構(gòu)件，可以通過(guò) FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅立葉變換)創(chuàng)建類似于線末檢測(cè)臺(tái)上序譜的順序分析。這樣記錄的信號(hào)可以更好地進(jìn)行分類并與變速器檢測(cè)臺(tái)上的結(jié)果相關(guān)聯(lián)。 (參見(jiàn)圖 3)。未經(jīng)處理的測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有任何用處。”最后特別是在生產(chǎn)制造環(huán)境中，只有相應(yīng)的指數(shù)有助于識(shí)別非常具體的缺陷。

圖3 在變速器檢測(cè)臺(tái)上記錄的序譜

　　過(guò)程監(jiān)控的好處也可以通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)確定：

　　? 100% 檢測(cè)所有構(gòu)件

　　? 識(shí)別磨削過(guò)程中仍存在的異常

　　? 識(shí)別特定構(gòu)件的缺陷

　　? 有針對(duì)性報(bào)告不規(guī)則性

　　? 過(guò)程中的自適應(yīng)干預(yù)

　　? 零件追蹤

　　下一步：標(biāo)準(zhǔn)化

　　過(guò)程監(jiān)控現(xiàn)在還不是一個(gè)可以簡(jiǎn)單下載和使用的應(yīng)用程序。它其實(shí)是一種針對(duì)客戶和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，它定義和監(jiān)控與各個(gè)構(gòu)件有關(guān)的指數(shù)。 但是這第一步也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了迄今才被認(rèn)為可行的范圍。對(duì)此，Achim Stegner 說(shuō)：“幾個(gè)試點(diǎn)客戶已經(jīng)在使用這種功能。目前我們已經(jīng)能夠識(shí)別不同的錯(cuò)誤，并在過(guò)程方面進(jìn)行干預(yù)。此外，我們已經(jīng)著手讓磨床自己學(xué)會(huì)新構(gòu)件的特征值。當(dāng)然，這需要從構(gòu)件的錯(cuò)誤圖片、幾何形狀質(zhì)量和變速器檢測(cè)臺(tái)的相應(yīng)反饋中獲得廣泛的經(jīng)驗(yàn)?！盕riedrich W?lfel 補(bǔ)充道：

　　“下一個(gè)目標(biāo)是用戶在沒(méi)有我們特定構(gòu)件支持的情況下也能夠使用此功能。需要理解過(guò)程監(jiān)控和閉環(huán)并不矛盾，而是相輔相成，這也很重要。”

　　Kapp Niles 機(jī)器現(xiàn)在已經(jīng)可以使用這兩種集成到過(guò)程中的質(zhì)量保證方法，并且憑借批量使用中獲得的經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)獲得更多的功能范圍和用途。

　本文圖片來(lái)源：KAPP NILES