導(dǎo)語(yǔ)：人為氣候變化的總體發(fā)展和公眾對(duì)此的廣泛認(rèn)識(shí)正在改變?nèi)藗兊乃季S方式。這種意識(shí)促使人們轉(zhuǎn)向更具生態(tài)可持續(xù)性的生活方式。在政策制定和技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，人們正在為減少溫室氣體排放以遏制平均氣溫上升做出巨大努力，其關(guān)鍵焦點(diǎn)之一便是交通領(lǐng)域。幾家大型咨詢公司的不同預(yù)測(cè)表明，在未來10到15年內(nèi)，我們將看到從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向使用電動(dòng)汽車的明顯趨勢(shì)。

　　通過使用電動(dòng)馬達(dá)取代內(nèi)燃機(jī)，這種全新的驅(qū)動(dòng)理念消除了汽車中的主要噪音源之一。因此，以前被內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化的聲音設(shè)計(jì)所掩蓋的噪音可能會(huì)凸顯出來。為了說明這一點(diǎn)，下圖顯示了車內(nèi)各種噪聲源的聲壓級(jí)隨車速變化的定性情況。

　　請(qǐng)注意，變速器的噪音之前是如何被內(nèi)燃機(jī)的聲音所掩蓋的。發(fā)動(dòng)機(jī)聲音消失后，變速器的聲音就會(huì)顯現(xiàn)出來。一旦達(dá)到一定速度，輪胎與路面接觸的聲音就會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，從而掩蓋了變速器的聲音。

　　變速器噪音、磨削技術(shù)、機(jī)床和數(shù)字化的相互作用

? ? ? ?可以使用各種方法優(yōu)化變速器的聲譜。根據(jù) VDI 3720 標(biāo)準(zhǔn)，可通過減少聲輻射、結(jié)構(gòu)傳聲或結(jié)構(gòu)傳聲激勵(lì)來最大限度地降低噪聲排放。前兩種降噪方法(輔助措施)包括所有類型的隔聲和結(jié)構(gòu)聲波阻尼，以及調(diào)整受影響部件的結(jié)構(gòu)聲傳導(dǎo)和輻射的自然振蕩行為。降低變速器噪音的最有效方法是盡量減少聲音激勵(lì)(主要措施)本身。軸承、松動(dòng)部件或最重要的齒輪都會(huì)在變速器中產(chǎn)生激勵(lì)。減少齒輪的激勵(lì)效果最好。

　　齒輪激勵(lì)可能來自嚙合沖擊激勵(lì)(偏離理想的齒輪嚙合)和齒輪剛性變化(嚙合齒數(shù)的變化)。由于電動(dòng)汽車變速箱的負(fù)載和轉(zhuǎn)速范圍很寬，導(dǎo)致輪齒的變形不同，因此齒輪嚙合條件也不同，在變速箱的整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，不可能存在最佳的輪齒嚙合條件。

　　使用適當(dāng)?shù)哪ハ鞣椒?如展成磨削)，可以非?？焖?、經(jīng)濟(jì)地對(duì)齒輪進(jìn)行硬加工。這種技術(shù)可以非常有效地用于齒面修型(鼓形量、修圓、扭曲等)。設(shè)計(jì)工程師可以利用磨齒機(jī)的齒面修形功能，專門設(shè)計(jì)適用于更寬負(fù)載和轉(zhuǎn)速范圍的齒輪嚙合，以減少齒輪過早嚙合變形造成的沖擊激勵(lì)。在磨削項(xiàng)目中，可以設(shè)置許多不同的修形，并直接在磨齒機(jī)控制系統(tǒng)上進(jìn)行模擬。通過傳統(tǒng)的展成磨削技術(shù)，可以輕松、低成本地完成所需的鼓形量、修圓或角度修形?？古ふ钩赡ハ骺蓪?duì)扭曲值產(chǎn)生影響。通過對(duì)修整和磨削的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)，可分別為左齒面和右齒面產(chǎn)生指定的扭曲值。除了生成特定的宏觀幾何形狀和修改之外，精確加工指定的齒輪參數(shù)并減少任何微小偏差也至關(guān)重要。

　　利用正確的磨削工具、修整器和磨削參數(shù)，可以非常精確地加工出齒面的目標(biāo)幾何形狀，從而將輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生的噪音降至最低。并且可以減少微小偏差，這些偏差雖然仍在公差要求范圍內(nèi)，但客戶通常是通過視覺和主觀來評(píng)估的(如凹鼓形或個(gè)別的凸起)。這些改進(jìn)不僅反映在齒輪測(cè)量報(bào)告的主觀視覺評(píng)估中，也反映在觸覺頻譜分析中，頻譜分析顯示嚙合頻率及其倍數(shù)的振幅有所降低。

　　齒面的粗糙度可以通過選擇工具和磨削技術(shù)來影響。在結(jié)構(gòu)竄刀功能中，竄刀量不斷增加，直到展成磨通常產(chǎn)生的表面紋路結(jié)構(gòu)被破壞，取而代之的是不規(guī)則的紋路結(jié)構(gòu)。使用超精磨或拋光磨的多步驟工藝，可以經(jīng)濟(jì)高效地滿足客戶對(duì)表面質(zhì)量和粗糙度的嚴(yán)格要求。通常情況下，這需要使用規(guī)格不同的兩片組合式可修整蝸桿砂輪。粗磨和精磨(標(biāo)準(zhǔn)展成磨削)使用傳統(tǒng)的蝸桿砂輪規(guī)格，而超精磨和拋光則使用特殊規(guī)格。超精磨同樣采用陶瓷結(jié)合劑砂輪，但磨粒的類型和尺寸不同，可以可靠地實(shí)現(xiàn) Rz = 1 - 3 微米的表面光潔度。

　　對(duì)于更加嚴(yán)格的表面粗糙度要求，可使用有彈性聚氨酯或樹脂結(jié)合劑結(jié)構(gòu)的砂輪進(jìn)行拋光磨削。這樣就可以實(shí)現(xiàn) Rz < 1 微米的表面粗糙度。因此，該工序有助于提高齒輪箱的效率和使用壽命。

　　除上述技術(shù)因素外，磨齒機(jī)本身也是一個(gè)關(guān)鍵因素。并必須對(duì)其進(jìn)行了解和優(yōu)化，才能在波紋度和噪聲激勵(lì)方面獲得最佳磨削效果。與輪齒嚙合頻率或其倍頻沒有直接聯(lián)系的直線鬼音階或邊帶通常來自磨床。即使是小于 0.1 微米的最小誤差偏差，特別是如果這些偏差與齒輪周長(zhǎng)的整數(shù)有關(guān)，也會(huì)在齒輪箱運(yùn)行過程中產(chǎn)生明顯的噪音(另見過程監(jiān)控示例)。一個(gè)潛在的原因可能是車軸的驅(qū)動(dòng)裝置，包括其測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)的偏差可能會(huì)導(dǎo)致最小程度的旋轉(zhuǎn)不均勻，從而造成零部件表面的波紋度。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的擺動(dòng)扭矩同樣會(huì)產(chǎn)生這種影響。軸承或軸的平衡狀態(tài)也會(huì)對(duì)噪音產(chǎn)生影響。此外，每臺(tái)機(jī)床都有自己的自然共振，這種共振因機(jī)床類型和工件夾緊裝置而異。在 Kapp Niles，為了最大限度地減少任何潛在的錯(cuò)誤根源，上述要點(diǎn)已經(jīng)在執(zhí)行和優(yōu)化了。

　　然而，在生產(chǎn)過程中仍會(huì)出現(xiàn)偏差。這就是數(shù)字化的作用所在--通過最大限度地提高透明度，數(shù)字化有助于優(yōu)化質(zhì)量。有無數(shù)的網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)、機(jī)器和支持解決方案可以幫助用戶進(jìn)行生產(chǎn)。閉環(huán) 是一種數(shù)字化工具，已被證明在處理趨勢(shì)性偏差方面非常重要和有效。通過跨制造商的 GDE(齒輪數(shù)據(jù)交換)接口，齒輪測(cè)量結(jié)果以閉環(huán)方式反饋給磨床，磨床使用預(yù)先選擇的公差帶，根據(jù)測(cè)量結(jié)果選擇修正值并優(yōu)化磨削過程。如果出現(xiàn)意外的高偏差，則需要機(jī)床操作員做出決定。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可對(duì)磨床本身的狀態(tài)進(jìn)行例行檢查和記錄。定期自動(dòng)觸發(fā)的參考運(yùn)行可獲得反映旋轉(zhuǎn)軸和平移軸狀況的參考值。對(duì)于高精度工件而言，軸的良好狀態(tài)至關(guān)重要，因?yàn)槟p的軸會(huì)對(duì)磨削效果產(chǎn)生重大影響。工件跟蹤是數(shù)字孿生系統(tǒng)的一種，是一種能夠接收磨削過程中所有信息(工件、技術(shù)和工藝數(shù)據(jù))的文件。這就實(shí)現(xiàn)了可追溯性和信息交換，特別是在不同部門、地點(diǎn)和公司之間(如制造和變速箱裝配之間)出現(xiàn)生產(chǎn)不一致的情況下，它還簡(jiǎn)化并加快了溝通和行動(dòng)。

　　可集成到工件跟蹤中的一個(gè)基本組件是與磨削過程中的振動(dòng)和不規(guī)則現(xiàn)象有關(guān)的過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。下一節(jié)將詳細(xì)介紹這些數(shù)據(jù)。

　　噪聲相關(guān)部件的過程監(jiān)控

　　通常情況下，為了評(píng)估磨削工藝，需要通過接觸性測(cè)量對(duì)小批樣本進(jìn)行檢查，但無法可靠地檢測(cè)出個(gè)別異常值。這就是 Kapp Niles 自己的過程監(jiān)控系統(tǒng)的用武之地，它可以進(jìn)行 100% 的實(shí)時(shí)評(píng)估。基于機(jī)器控制系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)及其多個(gè)加速度傳感器的參數(shù)，可用于評(píng)估磨削和修整過程。

　　對(duì)于修整過程，可編制一個(gè)反映整個(gè)修整過程的指標(biāo)，從而同時(shí)顯示蝸桿砂輪的狀況。該指數(shù)可在圖表中清晰顯示，并可與之前的修整周期進(jìn)行比較。通過這一指標(biāo)的極限值，可以啟動(dòng)機(jī)床的相關(guān)程序。此外，還可以直接在機(jī)床控制系統(tǒng)中對(duì)修整周期的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。

　　與修整過程相比，磨削過程更為復(fù)雜，需要許多不同的特征值才能有效描述。在最簡(jiǎn)單的情況下，這意味著最大值或平均值。對(duì)于與波紋度和 NVH(噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度)特性有關(guān)的最嚴(yán)格的質(zhì)量要求，可通過將時(shí)間離散的磨削信號(hào)分解為頻率分量并對(duì)其進(jìn)行分析來獲得特征值(見右側(cè)圖3)。

　　這種過程監(jiān)控方法可與接觸式頻譜分析、齒輪嚙合測(cè)試和 EOL(終端)測(cè)試臺(tái)中所使用的方法相媲美。在所有情況下，信號(hào)(盡管來源不同)都被分解成頻率分量，并與齒輪旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)。以這種方式生成的階數(shù)可以相互關(guān)聯(lián)，并包含類似的信息量。但需要注意的是，與接觸式測(cè)量不同，這些值并不是絕對(duì)值。相反，這些值必須經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，并與其他測(cè)量過程進(jìn)行比較，以獲得有效的極限值。

　　下面的實(shí)例說明了如何有效監(jiān)控磨削過程中齒輪的噪音特性。在本案例中，通過交叉交換變速箱部件，在 EOL 測(cè)試中反復(fù)識(shí)別異常齒輪。這種異常齒輪以18階的頻率激勵(lì)變速箱，以至于在車輛中產(chǎn)生了不良噪音。

　　隨后的分析表明，接觸式頻譜分析和嚙合式測(cè)試均顯示異常齒輪的第 18 階存在異常。通過Kapp Niles的方法可以對(duì)這些測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析。為了優(yōu)化磨削過程，在相關(guān)的磨齒機(jī)上安裝了過程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過幾個(gè)零件的檢查后，就可靠的發(fā)現(xiàn)了第 18 階的異常。

　　在通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子軸消除了磨削過程中的故障后，從過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中可以立即看到第 18 階的顯著降低。接觸性的光譜分析、嚙合測(cè)試結(jié)果和 EOL 測(cè)試都證實(shí)了過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(見下圖)。

　　事實(shí)證明，Kapp Niles 開發(fā)的過程監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)磨削過程中產(chǎn)生噪音的零件，可以輸入警告或極限終止值。

　　這些上限值可以在生產(chǎn)中根據(jù)好零件和廢品通過幾何測(cè)量過程、滾嚙合器測(cè)試或EOL測(cè)試臺(tái)的反饋回路來確定。要從根本上解決問題，請(qǐng)咨詢 Kapp Niles 的專家，因?yàn)檫@需要對(duì)錯(cuò)誤分析及其與齒輪相關(guān)質(zhì)量有廣泛的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。目前正在進(jìn)行開發(fā)工作，使磨齒機(jī)床自動(dòng)生成新零件的上限值。

　　結(jié)語(yǔ)

　　目前，隨著對(duì)齒輪的要求大幅提高，交通領(lǐng)域正在向電力驅(qū)動(dòng)概念轉(zhuǎn)變。為了滿足這些要求，Kapp Niles 采取了全面的方法來解決這一問題，并計(jì)劃繼續(xù)關(guān)注電動(dòng)變速箱這一主題，進(jìn)一步開發(fā)產(chǎn)品。目前，我們已經(jīng)能夠通過多種技術(shù)、優(yōu)化的磨床、數(shù)字化解決方案和訓(xùn)練有素的服務(wù)技術(shù)人員幫助客戶滿足電動(dòng)汽車領(lǐng)域的高要求。

　　作者

Dr.-Ing. Philip GeilertKAPP NILES GmbH & Co. KG

　　簡(jiǎn)介和職位說明

　　自 2021 年 9 月起：電動(dòng)汽車領(lǐng)域主管

　　自 2019 年 9 月起：基礎(chǔ)研究項(xiàng)目經(jīng)理 08/2020: 攻讀 "磨齒時(shí)高效冷卻液供應(yīng) "課題的博士學(xué)位

　　01/2016 - 04/2018: 萊布尼茨 IWT(材料導(dǎo)向技術(shù)研究所)齒輪技術(shù)組組長(zhǎng)

　　02/2012 - 04/2018: 萊布尼茨 IWT(材料導(dǎo)向技術(shù)研究所)研究工程師

　　關(guān)于 KAPP NILES

　　卡帕耐爾斯是一家業(yè)務(wù)全球運(yùn)營(yíng)的集團(tuán)公司，核心業(yè)務(wù)是為齒輪和齒形的磨削精加工提供高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)的解決方案，合作伙伴遍布在交通工具，自動(dòng)化，能源等各個(gè)行業(yè)企業(yè)。

　　機(jī)器，工具，工藝，測(cè)量技術(shù)的完美結(jié)合保證了精確到微米的加工。

　　參考文獻(xiàn)略.