汽車 NVH 性能已經(jīng)成為汽車質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)之一，主減橋齒總成的 NVH 性能是影響整車 NVH 的主要因素。汽車雙曲線橋齒作為其主要的傳動(dòng)部件，在承受汽車變載變速的動(dòng)態(tài)工況下，同時(shí)受到橋齒總成安裝誤差及軸系受載變形的影響，從而產(chǎn)生齒面嚙合運(yùn)動(dòng)誤差(或傳動(dòng)誤差 Transmission Errors)，并成為汽車嘯叫噪聲(Whine)的主要來源。雙曲線橋齒在傳遞載荷和運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，要起到吸收和補(bǔ)償安裝 誤差及軸系受載變形的作用，從而使傳動(dòng)在無嘯叫噪聲的工況下平穩(wěn)工作。因此汽車雙曲線橋齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮齒輪強(qiáng)度，傳動(dòng)誤差，總成安裝誤差及軸系受載變形等因素，而先進(jìn)的雙曲線橋齒的閉環(huán)制造方法及工藝是精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)的保證。本文基于江西江鈴集團(tuán)車橋齒輪有限責(zé)任公司(以下簡稱公司)多年的橋齒制造實(shí)踐，介紹了高NVH性能雙曲線橋齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)制造的方法。

　　汽車雙曲線齒輪由美國格里森公司(The Gleason Works)著名科學(xué)家維爾德哈伯(E. Wildhaber)博士發(fā)明(見圖 1)，美國格里森公司是螺旋傘齒輪及雙曲線齒輪技術(shù)的鼻祖和領(lǐng)軍者，格里森公司汽車雙曲線齒輪有常見的兩種齒制：收縮齒和等高齒(見圖 2)，由于兩種齒制機(jī)床產(chǎn)形運(yùn)動(dòng)的不同，根據(jù)其縱向齒形的幾何形狀，收縮齒也稱為圓弧雙曲線齒輪，而等高齒也稱為延伸外擺線雙曲線齒輪(見圖 3)。圓弧雙曲線齒輪能實(shí)現(xiàn)硬齒面磨齒工藝;而延伸外擺線雙曲線齒輪無法實(shí)現(xiàn)硬齒面磨齒工藝，其硬齒面精加工通常采用研齒工藝實(shí)現(xiàn)。收縮齒磨齒采用五刀法和全工序法兩種磨齒工藝路線，磨齒工藝的優(yōu)點(diǎn)是其能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)微觀幾何的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并具有互換性;而研齒工藝在熱處理變形控制不當(dāng)?shù)臈l件下，較難實(shí)現(xiàn)微觀幾何的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一致性較差，而且不具有互換性。

圖1：曲線齒輪　　

圖2：雙曲線齒輪兩種齒制收縮齒和等高齒　　

圖3：收縮齒(圓弧雙曲線齒輪)和等高齒(延伸外擺線雙曲線齒輪)

　　等高齒硬齒面研齒工藝受淬火熱處理變形的影響較大，對(duì)鋼材的偏析度和淬后芯部硬度的離散度均要求較高，選用鋼材時(shí)要注重成份均勻且晶粒度適當(dāng)，嚴(yán)格控制淬火溫度和油溫，從而有效地控制輪齒螺旋角方向及壓力角方向的變形量。只有維持較高熱后精度，才能有效地保證研齒效率和研后精度。目前，熱處理變形控制技術(shù)，是影響等高齒研齒生 產(chǎn)成本的重要因素，并成為等高齒廣泛應(yīng)用于高端車橋的一個(gè)瓶頸。

　　為了克服因等高齒熱處理變形對(duì)研齒工藝產(chǎn)生的不利影響，公司與美國格里森公司合作，開發(fā)了其獨(dú)具特色的擁有自身知識(shí)產(chǎn)權(quán)的延伸外擺線(等高齒)硬刮制造工藝過程， 從而保證了等高齒能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)的微觀幾何，有效地克服了等高齒熱處理變形的 負(fù)面影響，達(dá)到了高NVH性能雙曲線橋齒的制造目標(biāo)。

　　隨著新能源汽車的不斷發(fā)展和應(yīng)用，汽車行業(yè)對(duì)汽車 NVH(Noise 噪聲，Vibration 振動(dòng)，Harshness 聲振粗糙度)性能的要求越來越高，汽車橋齒主減制造企業(yè)正面臨著高NVH 性能雙曲線齒輪制造的挑戰(zhàn)。齒輪行業(yè)對(duì)解決齒輪噪聲問題的理解普遍存在著誤區(qū)，錯(cuò)誤地認(rèn)為齒輪制造精度越高齒輪噪聲就越低，一味地追求高精度齒輪制造，其結(jié)果可能使齒輪制造的成本大大提高，而齒輪傳動(dòng)的噪聲不僅沒有降低，反而增高了。這是因?yàn)槌呔X輪副對(duì)總成安裝系統(tǒng)誤差及軸系受載變形的影響更為敏感，導(dǎo)致齒面嚙合的邊緣接觸， 從而產(chǎn)生較大的嚙合運(yùn)動(dòng)誤差(或傳動(dòng)誤差Transmission Errors)， 并成為汽車嘯叫噪聲(Whine)的主要來源。筆者認(rèn)為，汽車雙曲線齒輪的制造精度在 GB5-7 級(jí)范圍即能滿足高 NVH 性能的要求。然而高 NVH 性能雙曲線齒輪的制造技術(shù)訣竅在于正確的齒輪齒面的微觀幾何(修形)的設(shè)計(jì)及齒面失配(Ease-off)的優(yōu)化，并應(yīng)用先進(jìn)的雙曲線齒輪的閉環(huán)數(shù)字制造方法及工藝，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)其微觀幾何的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　公司充分利用美國格里森公司最新發(fā)布的 KISSsoft 軸系分析軟件和GEMS 雙曲線齒輪CAE 軟件，首先利用KISSsoft 軟件計(jì)算主減在受載工況下系統(tǒng)的變形及齒輪位移量，生成 GEMS 軟件的齒輪位移輸入?yún)?shù);在同時(shí)考慮雙曲線齒輪輪齒強(qiáng)度，傳動(dòng)誤差，總成安裝誤差，熱處理變形，及軸系受載變形等因素下，進(jìn)行曲線齒輪宏觀幾何和齒面的微觀幾何的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)過程包括宏觀幾何設(shè)計(jì)及優(yōu)化，精準(zhǔn)的三維嚙合模型的生成，刀具的幾何優(yōu)化，齒面嚙合接觸分析(TCA)及齒面干涉的檢查，精準(zhǔn)三維 TCA 嚙合模型的生成，齒面失配(Ease-off)的優(yōu)化，雙曲線齒輪效率計(jì)算，基于有限元方法的加載TCA 分析，應(yīng)力和壽命的計(jì)算等(見圖 4)。GEMS 軟件最終將齒輪的機(jī)床加工參數(shù)及齒面幾何測量數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳到各相關(guān)加工機(jī)床和測量設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)制造工藝過程。利用閉環(huán)制造工藝過程(見圖 5)。精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)雙曲線齒輪的精度指標(biāo)及齒面微觀幾何的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　圖4：格里森公司新一代雙曲線齒輪CAE 軟件　　

　　圖5：雙曲線齒輪的閉環(huán)設(shè)計(jì)與制造一體化系統(tǒng)

　　公司在多年的汽車雙曲線齒輪的制造實(shí)踐中，形成了成功的收縮齒磨齒，等高齒硬刮及研齒相結(jié)合的工藝路線(見圖 6 和 7)。磨齒和硬刮工藝均能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)齒輪的微觀修形幾何，消除熱處理變形，通常無需再研齒，然而針對(duì)高端車橋應(yīng)用的要求，為了將橋齒 NVH 性能達(dá)到極致，公司在磨齒和硬刮工藝中均增加了格里森的智能研齒工藝，其目的是清除齒面的微凸體從而提高齒面的跑合性。另外，為了提高齒輪的彎曲強(qiáng)度，也增加了齒根噴丸工藝。

圖6：雙曲線齒輪磨齒閉環(huán)制造工藝路線　　

圖7：雙曲線齒輪硬刮閉環(huán)制造工藝路線

　　公司配合用戶開發(fā)了NVH在線檢測臺(tái)架系統(tǒng)，采用美國Burke Porter 公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)橋測試臺(tái)，驅(qū)動(dòng)橋測試臺(tái)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并設(shè)有加載裝置，可以對(duì)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多種轉(zhuǎn)速/扭矩工況組合，更加精準(zhǔn)的模擬變速度、變載荷、變扭矩等整車工況;測試臺(tái)架上布置有多種傳感器，可在測試過程中實(shí)時(shí)采集扭轉(zhuǎn)加速度 (IPTA)以及動(dòng)態(tài)扭矩(IPDT)等可以表征的NVH性能信號(hào)，使得驅(qū)動(dòng)橋EOL NVH下線檢測臺(tái)架對(duì)異響件的識(shí)別率保持較高的水平。

　　驅(qū)動(dòng)橋下線NVH檢測的基本準(zhǔn)則就是先選取數(shù)臺(tái)整車主觀駕評(píng)，將其安裝在下線檢測臺(tái)架上進(jìn)行測試，采集各個(gè)工況下隨轉(zhuǎn)速變化的NVH信號(hào)曲線，以得到NVH目標(biāo)曲線，并作為NVH對(duì)標(biāo)控制曲線輸入到設(shè)備檢測控制程序中。為了保證后續(xù)生產(chǎn)過程中的每臺(tái)驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能都達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)，將完成裝配的驅(qū)動(dòng)橋安裝到臺(tái)架上進(jìn)行下線檢測，將測得的NVH信號(hào)與對(duì)標(biāo)控制曲線進(jìn)行對(duì)比，若測試曲線中所有轉(zhuǎn)速下的幅值均未超過對(duì)標(biāo)曲線的幅值，則判定該橋的NVH 性能合格。公司對(duì)每臺(tái)總成均進(jìn)形嚴(yán)格的NVH 檢測，對(duì)橋齒的加速面和減速面NVH 性能指標(biāo)均設(shè)有較高的主觀和客觀的檢測標(biāo)準(zhǔn)(見圖 8)。

圖8：總成NVH 檢測曲線

　　總之，成功的高NVH 性能汽車雙曲線橋齒的制造實(shí)現(xiàn)，不僅要依靠高精的制造裝備，更重要的是與之相兼容的先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工藝訣竅，以及整個(gè)生產(chǎn)過程的科學(xué)管理和各職能部門協(xié)同攻關(guān)的精神。公司始終跟蹤世界先進(jìn)的橋齒設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，不斷完善橋齒制造過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，永無止境地追求橋齒制造技術(shù)的更高境界。