簡介

　　齒輪噪音是一個(gè)共同的難題，任何齒輪制造商必須面對(duì)。它通常低到不會(huì)成為大問題，但有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)齒輪嗚嗚聲，然后需要追蹤源頭，尤其是針對(duì)原因進(jìn)行解決，在最好的情況下也是棘手的。關(guān)于齒輪噪聲已經(jīng)有了大量文獻(xiàn)，不勝枚舉，Endo和Sawalhi的工作就是一個(gè)典型的例子。然而，一旦變速箱投入生產(chǎn)中，這樣的解決模型就沒什么用了。

　　格里森公司除了提供先進(jìn)的軟件外，還為機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的齒輪副提供解決方案。能夠?qū)崿F(xiàn)在哪個(gè)位置能出現(xiàn)最好的表現(xiàn)形式，這樣的系統(tǒng)很適合大批量生產(chǎn)。本文提出了一種方法，可以使用更有限的手段，完成識(shí)別噪聲源，并提供了糾正問題的途徑，這類方法非常適合典型的中小型齒輪制造商。

　　問題的提出

　　本文基于一種包含螺旋齒輪箱的換向齒輪箱。其中的錐齒輪副已在生產(chǎn)多年，直到最近引入了不同的測(cè)試程序，客戶才開始考慮噪音問題。齒輪失速扭矩約80NM，但測(cè)試工況與實(shí)際運(yùn)行工況相差較大，不能反映實(shí)際情況。

表1 齒輪參數(shù)表

　　在不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下，主動(dòng)齒輪凸面可以被單獨(dú)設(shè)計(jì)而不會(huì)產(chǎn)生不必要的噪聲，但主動(dòng)齒輪凹面在1400和3200 rpm左右的噪音水平令人討厭。表一列出了齒輪副的主要規(guī)格。兩種零件均采用不同齒頂寬的CBN砂輪硬加工。

　　初步評(píng)估

　　在溫澤爾三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪，結(jié)果如圖1和圖2所示。主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪都顯示出與公稱表面相關(guān)的整體小偏差，但我們不認(rèn)為在凹側(cè)，(圖1)，主動(dòng)齒輪顯示出在齒根部分存在一些凸出的干涉，(紅色箭頭)，這會(huì)導(dǎo)致過早嚙合進(jìn)入的預(yù)期結(jié)果。被動(dòng)齒輪，如圖2，顯示了齒頂部分的下凹情況(藍(lán)色箭頭)，這通常是有益的。

圖1 主動(dòng)輪CMM檢測(cè)結(jié)果

圖2 被動(dòng)輪CMM檢測(cè)結(jié)果

　　由于齒輪箱殼體和齒輪輪齒上的制造公差，主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪可以采用墊片進(jìn)行調(diào)整，以便提供視覺上和主觀上最好的接觸區(qū)情況模式。

圖3 E-P-G的定義

　　齒輪箱內(nèi)實(shí)際接觸位置(定義見圖3):

　　E =-0.007 mm，由齒輪箱制造公差引起;

　　P=-0.019 mm，獲得可接受的接觸區(qū)位置;

　　G=+0.005 mm，獲得正確的側(cè)隙數(shù)值。

　　上述位置測(cè)量的接觸形態(tài)如圖4所示。接觸區(qū)在兩個(gè)齒輪側(cè)面是相當(dāng)好的，在輪齒寬度的中部中心，并似乎覆蓋了大部分的齒的深度。

圖4 采用較厚的染料做的接觸區(qū)

　　使用HyGEARS軟件，考慮圖1和圖2所示的測(cè)量誤差，得到圖5所示的接觸區(qū)模式。

圖5 計(jì)算出的齒面接觸區(qū)

　　雖然計(jì)算出的齒輪凹側(cè)的接觸輪廓與圖4非常相似，但在齒輪凹側(cè)的接觸輪廓上計(jì)算出的接觸輪廓與圖4所示的接觸輪廓有很大不同(圖4)。

　　接觸區(qū)因此被重新測(cè)量，這一次使用了一種更薄的標(biāo)記化合物，以更好地顯示邊界。結(jié)果如圖6所示，很明顯，計(jì)算出的接觸區(qū)模式現(xiàn)在與圖6所示的測(cè)量情況非常吻合。

圖6 采用較薄的染料做的接觸區(qū)

　　傳動(dòng)誤差和齒輪噪音

　　圖5和圖6中計(jì)算出的接觸模式與實(shí)際接觸模式之間良好的相關(guān)性表明，齒面接觸分析(TCA)模型正確地計(jì)算出了空載運(yùn)動(dòng)學(xué)情況。粉色、藍(lán)色、橙色3對(duì)連續(xù)嚙合齒對(duì)的傳遞誤差曲線(TE)如圖7所示。

圖7 非加載傳動(dòng)誤差-從測(cè)量結(jié)果計(jì)算的結(jié)果

　　在主動(dòng)齒輪凸側(cè)(下圖右)上的TE曲線是凸形的，連續(xù)的，并且在~46uRad的深度處有傳遞點(diǎn)(TP)，這是在該模數(shù)的齒輪組中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的值;在圖中旋轉(zhuǎn)從左向右進(jìn)行。

　　相比之下，小齒輪凹側(cè)的TE曲線雖然一般也呈凸形，但在295 uRad處的TP要深得多，當(dāng)運(yùn)動(dòng)從一個(gè)齒對(duì)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)齒對(duì)時(shí)，在圖中旋轉(zhuǎn)從左向右進(jìn)行時(shí)，可能會(huì)引起急劇的加速度。

圖8 非加載的 TE FFT-從測(cè)量結(jié)果計(jì)算的結(jié)果

　　圖8顯示了圖7所示TE曲線的FFT。顯然，根據(jù)3-4次諧波的振幅，小齒輪凹免(左下)預(yù)計(jì)會(huì)比凸面(右下)噪音更大，這再次與我們所注意到的有關(guān)。

　　當(dāng)然，圖8中所示的圖表并沒有表明轉(zhuǎn)速或扭矩、噪聲在哪個(gè)位置會(huì)更容易預(yù)估，因?yàn)閷?shí)際的變速箱、軸承、軸等都沒有建模。然而，這表明可能存在潛在的噪音問題—這在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

　　齒面接觸區(qū)和齒輪噪音水平的提升

　　根據(jù)測(cè)量到的制造誤差，基本上有三種解決方案:

　　a. 應(yīng)用閉環(huán)來消除在齒輪凹側(cè)標(biāo)出的根部輪廓曲率-如圖1所示。當(dāng)然。這意味著新的主動(dòng)齒輪和正在使用的變速箱將被召回——這是一項(xiàng)非常昂貴的操作方式。

　　b. 對(duì)CBN主動(dòng)齒輪精加工、凹齒面砂輪進(jìn)行測(cè)量和校正，這同樣需要對(duì)同一變速箱召回以及面臨成本問題，如a)是預(yù)期的。

　　c. 在齒輪箱的主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪安裝進(jìn)行調(diào)整，以嘗試和改善接觸模式和TE。

　　當(dāng)然，如果采用解決方案c)，如果一個(gè)主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的墊片實(shí)際組合可以獲得，是迄今為止最簡單和最便宜的，因?yàn)樗婕耙粋€(gè)簡單的操作，可以很容易地在現(xiàn)場(chǎng)再次執(zhí)行。

　　通過使用齒輪仿真模型，發(fā)現(xiàn)下列EPG組合：注意，只更改了P。

　　E—0.007 mm(由變速箱外殼上的制造公差施加的);

　　P = + 0.173mm;

　　G=+0.005 mm(不變)。

　　圖9 改進(jìn)后的接觸區(qū)

　　圖10 提升后的TE-從測(cè)量結(jié)果計(jì)算的結(jié)果　　

　　圖 11 提升后的非加載的 TE FFT-從測(cè)量結(jié)果計(jì)算的結(jié)果

　　由此產(chǎn)生的空載接觸模式TE和FFT如圖9-11所示。特別地，對(duì)于小齒輪的凹面，圖10-11與圖7-8相比發(fā)生了巨大的變化。當(dāng)然，其他P和G組合可以使用，但上述選擇的組合涉及主動(dòng)齒輪墊片只會(huì)導(dǎo)致更低的努力和成本。

　　評(píng)估改進(jìn)的接觸區(qū)和振動(dòng)

　　下面的圖12顯示了在改進(jìn)的EPG位置測(cè)量的接觸模式，而圖13顯示了在相同的齒輪齒向下計(jì)算的接觸模式，以方便比較。顯然，預(yù)測(cè)的情況得到了驗(yàn)證。

　　圖12 P=+0.173時(shí)的接觸區(qū)　　

　　圖13 P=+0.173時(shí)計(jì)算的接觸區(qū)

　　齒輪副在不同的扭矩水平和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，原始和改進(jìn)的EPG位置和振動(dòng)水平被記錄下來。圖14-15中的結(jié)果顯示，當(dāng)擺平主動(dòng)齒輪位置P=-0.019 mm到P=+0.173 mm時(shí)，振動(dòng)水平有顯著改善;不僅在小齒輪的凹齒面，這是最初的問題齒面，而且在小齒輪的凸齒面，這是最初發(fā)現(xiàn)是可以接受的。

　　圖16-17顯示了原始和修改的工作位置的瀑布圖，分別為0Nm和3Nm的主動(dòng)齒輪扭矩。當(dāng)然，單主動(dòng)齒輪扭矩意味著除了摩擦以外，沒有制動(dòng)作用在輸出。水平軸上的rpm范圍在500到400之間，而頻率Hz，在垂直軸上，范圍在0到10000之間。

　　兩幅圖顯示了在修改后小齒輪凹側(cè)的位置工作時(shí)，相同的引人注目的噪音下降情況。在小齒輪凸面上，圖17顯示了3Nm的小齒輪扭矩在頻率高于5500 Hz時(shí)略有增加?？偟膩碚f，變速箱的噪音改善使其超出了客戶的接受范圍，這是本分析的目的。

　　結(jié)論

　　齒輪噪聲是由傳遞到齒輪殼體和環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)引起的，是一個(gè)通常難以解決的問題。雖然齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)(包括軸、軸承和齒輪箱)的高度進(jìn)化的數(shù)學(xué)模型是可用的，但一旦齒輪箱和部件投入生產(chǎn)，并且在特定的轉(zhuǎn)速和扭矩水平上經(jīng)歷噪音，這些模型對(duì)制造商來說就沒什么用了。

　　本文提出了一種方法，集中在使用齒面形貌測(cè)量(CMM)數(shù)據(jù)結(jié)合螺旋錐齒輪建模軟件，以分析如何問題齒輪組工作在給定的安裝。結(jié)果表明，軟件計(jì)算出的接觸模式與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合得很好。計(jì)算得到的傳動(dòng)誤差也與實(shí)際傳動(dòng)誤差比較接近發(fā)生的數(shù)值。

　　這導(dǎo)致使用軟件來嘗試和改善接觸模式通過改變小齒輪和齒輪的位置，一個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)在實(shí)踐中通過墊片調(diào)整，從而改善傳輸誤差和允許現(xiàn)場(chǎng)校正噪聲問題。并通過一個(gè)9x59的雙螺旋錐齒輪/非展成齒輪螺旋錐齒輪組樣本被用來驗(yàn)證該方法。

　　當(dāng)主動(dòng)齒輪凸齒面在不同扭矩水平下嚙合時(shí)，在3400 rpm時(shí)沒有過度的噪聲，而小齒輪凹齒面在大約1400和3200 rpm時(shí)表現(xiàn)出顯著的噪聲。

　　利用螺旋錐齒輪建模軟件，以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算新主動(dòng)齒輪和齒輪安裝位置，以改善接觸模式和傳動(dòng)誤差，方法是可行和符合實(shí)際的。

　　結(jié)果證實(shí)，改進(jìn)的接觸模式實(shí)際上顯著降低了兩齒側(cè)的噪聲水平，從而允許以非常低的成本在現(xiàn)場(chǎng)糾正噪聲問題。

　　而證明方法是應(yīng)用于螺旋斜齒輪組,它適用于任何類型的齒輪允許噪聲源的識(shí)別,并很容易使用所有類型的錐齒輪副各自的安裝距離直接影響接觸區(qū)位置和傳動(dòng)誤差。