齒輪噪聲激勵(lì)的根本原因
坎貝爾圖
齒輪噪音是一種空氣傳播的聲音。車輛的零部件會(huì)發(fā)生振動(dòng)并發(fā)出在空氣中傳播的聲音。為盡量減少空氣傳播的聲音，可采取主動(dòng)和被動(dòng)降噪措施。主動(dòng)措施側(cè)重于找出根本原因，使振動(dòng)最小化，而被動(dòng)措施則處理優(yōu)化從振動(dòng)源到人耳的聲學(xué)傳遞路徑。
本文通過(guò)關(guān)注齒輪嚙合的激勵(lì)的主動(dòng)措施，來(lái)降低齒輪傳動(dòng)的噪音問(wèn)題。
并不是每一種齒輪嚙合激勵(lì)在噪聲傳播方面都顯得至關(guān)重要。只有齒輪嚙合頻率激勵(lì)了總成的固有頻率時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)承載噪聲(SBN)。SBN是否會(huì)轉(zhuǎn)換為空氣噪聲取決于聲學(xué)傳播路徑。
齒輪嚙合激勵(lì)與傳動(dòng)零件的特征模之間的相互作用可以在圖1所示的坎貝爾圖中看出。
圖1 坎貝爾圖
圖1所示顯示了傳動(dòng)過(guò)程中SBN的掃描速度。圖中橫軸表示輸出軸的速度，縱軸表示SBN的頻率。顏色越淺，由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲的振幅就會(huì)越高。
坎貝爾圖中的水平線是裝配的基礎(chǔ)模態(tài)。它們的頻率是恒定的，并且垂直于傳動(dòng)的速度。上升的線是齒輪嚙合效果。稍傾斜的線是齒輪嚙合的第一階次諧波，較傾斜的線是齒輪嚙合的更高階次諧波或幽靈頻率。
臨界齒輪嚙合激勵(lì)只有那些傾斜線穿過(guò)水平線的情況。在這里，齒輪嚙合激勵(lì)刺激傳動(dòng)的特征模式，根據(jù)聲傳輸路徑，SBN將轉(zhuǎn)換為可聽(tīng)到的空氣噪聲。
齒面形貌的修正和失配嚙合
齒面嚙合激勵(lì)的原因是什么?在一個(gè)完美的漸開(kāi)線齒輪廓的情況下，齒面嚙合傳動(dòng)誤差將為零，即不存在激勵(lì)。由于制造誤差和載荷引起的變形，會(huì)使得未修型的漸開(kāi)線輪廓和未修型的齒向嚙合出現(xiàn)邊緣接觸。應(yīng)用圖2所示的齒面形貌修型可以保證在所有條件下良好的齒面接觸。
圖2 齒面形貌修正
特別是齒頂修緣Ca和齒根修緣Ce廣泛用于優(yōu)化。齒廓鼓形Ca和齒長(zhǎng)鼓形Cβ對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)誤差有顯著影響，應(yīng)保持較小的數(shù)值。
很明顯，齒輪設(shè)計(jì)工程師必須降低齒輪嚙合傳動(dòng)誤差和齒輪承載能力所需的齒輪齒面修型數(shù)值和類型。齒輪對(duì)位移和載荷引起的偏載高度不敏感，需要更大的修型量。因此，它們提供了一個(gè)較大的齒面嚙合誤差與更高的激勵(lì)到其他裝配零部件中。
齒輪噪音測(cè)試
無(wú)加載嚙合
在批量生產(chǎn)中，齒輪通常符合其幾何公差要求，但有些齒輪在噪聲測(cè)試中會(huì)不被通過(guò)。如果在最后的總成測(cè)試中發(fā)現(xiàn)這種情況，通常會(huì)需要耗費(fèi)較大成本進(jìn)行拆解，以及進(jìn)行原因分析。為了避免在最后裝箱后發(fā)生這種情況，需要尋找一種在裝配前就能發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題的方法。圖3顯示了一對(duì)齒輪在嚙合過(guò)程中的不同影響情況。
通過(guò)無(wú)加載嚙合測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)三組影響的參數(shù)：
齒面加工過(guò)程中的一些缺陷;
負(fù)載引起的位移和偏轉(zhuǎn);
變速箱總成的阻尼特性。
當(dāng)加工過(guò)程中某一個(gè)批次的某些齒輪在噪音中表現(xiàn)為不可接受的現(xiàn)象時(shí)，需要在制造和裝配中考慮進(jìn)行相關(guān)更換。更換前后，阻尼特性和材料特性不會(huì)顯示出實(shí)質(zhì)性的影響，但在齒輪加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生齒面形貌的變化修正和額外的加工缺陷。
圖3 齒輪嚙合過(guò)程中的影響因素好消息是，未加載的齒面嚙合足以預(yù)測(cè)噪聲情況。所有齒面幾何形狀的變化都可以在非加載齒面嚙合檢測(cè)中檢測(cè)到。圖3以紅色顯示了齒面嚙合對(duì)噪聲激勵(lì)的關(guān)鍵影響。
波紋度分析
齒輪檢測(cè)和閉環(huán)應(yīng)用控制現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為了一個(gè)較為完美的齒面精確修型方式。然而，較小的表面缺陷并不是齒輪檢測(cè)方面研究的重點(diǎn)。特別是，規(guī)則的表面缺陷在噪聲激勵(lì)方面是很復(fù)雜的。計(jì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的齒形和齒向誤差只是檢測(cè)波形等規(guī)則表面缺陷的基本方法。
滾動(dòng)測(cè)試
齒面二維分析測(cè)試
齒輪測(cè)量機(jī)必須能夠檢查振幅到100nm的波形。如果存在一個(gè)有動(dòng)力的測(cè)量裝置，波紋度分析是檢測(cè)噪聲臨界齒輪的最合適工具。當(dāng)然，必須給出傳動(dòng)噪聲和順序的波形振幅之間的相關(guān)性。
SFT-單齒面分析測(cè)試
在SFT中，被動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪處于準(zhǔn)靜態(tài)齒面嚙合中。高分辨率編碼器捕獲被動(dòng)齒輪和主齒輪的旋轉(zhuǎn)位置。SFT的結(jié)果是由齒數(shù)和捕獲的角度位置給出的旋轉(zhuǎn)位置的差異。SFT顯示了嚙合傳動(dòng)精度的質(zhì)量。這種準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量原理的優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性高，對(duì)不同測(cè)試設(shè)備的一致性較高。
圖4 齒輪嚙合檢測(cè)中SFT檢測(cè)
圖4顯示了一個(gè)有37個(gè)齒的齒輪的SFT結(jié)果。嚙合傳動(dòng)誤差為黑色曲線。為了便于理解，將嚙合傳動(dòng)誤差分解為藍(lán)色長(zhǎng)波內(nèi)容和綠色短波內(nèi)容。
SFT可以精確地檢測(cè)齒面嚙合的偏差。然而，SFT只適用于較低轉(zhuǎn)速的情況，因?yàn)椴辉试S產(chǎn)生相關(guān)效應(yīng)，以避免測(cè)試設(shè)備對(duì)嚙合傳動(dòng)誤差結(jié)果的影響。即使是SFT也比齒輪檢測(cè)機(jī)上的波紋度分析要快得多。盡管如此，在大多數(shù)情況下，SFT還是不能支持用齒輪加工機(jī)床和SFT測(cè)試儀的1：1的比例對(duì)所有齒輪進(jìn)行100%的檢查。
SBN結(jié)構(gòu)噪聲
與SFT相比，SBN是一種非常快的方法。測(cè)試的齒輪轉(zhuǎn)速為500到2000rpm。振動(dòng)傳感器記錄SBN測(cè)試設(shè)備的振動(dòng)。盡管這個(gè)測(cè)試原理關(guān)注的是齒輪環(huán)境的激勵(lì)特征模式，但與真正的變速箱還是有所不同。SBN不是激勵(lì)齒輪箱組件的基本結(jié)構(gòu)模態(tài)，而是激勵(lì)測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)模態(tài)。然而，SFT給出了一個(gè)明確的指示，關(guān)于齒輪嚙合的基本模態(tài)，特別是對(duì)于更高的頻率范圍。
TAT扭轉(zhuǎn)加速度試驗(yàn)?
扭轉(zhuǎn)加速度測(cè)試以相同的速度運(yùn)行，如SBN測(cè)試狀態(tài)。與SBN的區(qū)別在于用于捕獲振動(dòng)的傳感器設(shè)備的類型。SBN處理的信號(hào)來(lái)自于三軸加速度傳感器，而TAT使用工件和齒輪主軸中的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。TAT只記錄由齒面嚙合引起的旋轉(zhuǎn)加速度。因此，測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)影響產(chǎn)生的效果要小得多。為了在不受測(cè)試設(shè)備影響的情況下獲得扭轉(zhuǎn)加速，需要計(jì)算SFT結(jié)果的二階導(dǎo)數(shù)—由于SFT的準(zhǔn)靜態(tài)條件，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。?
齒輪噪聲的描述
階次譜
SFT、SBN和TAT的結(jié)果顯示了在工件和標(biāo)準(zhǔn)齒輪的不同旋轉(zhuǎn)位置上各自的傳感器數(shù)據(jù)。為了得到定量的數(shù)值，采用傅里葉變換得到一個(gè)階次譜。而不是觀察每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置的偏差，階次譜告訴我們，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)事件發(fā)生的頻率以及這個(gè)事件有多大。圖5顯示了圖4所示的SFT結(jié)果的順序譜。
圖5 階次譜
階次譜提供了一個(gè)詳細(xì)的齒面嚙合動(dòng)作的內(nèi)容。在圖5的例子中，37階的峰值和倍數(shù)的峰值是齒面嚙合階次。這些階數(shù)的振幅主要來(lái)自于齒面形貌的修改。齒面嚙合階次之間的階次是所謂的幽靈階次，也就是鬼階，只有加工缺陷才會(huì)導(dǎo)致鬼階的出現(xiàn)。
例如，第一階次來(lái)自工件跳動(dòng)。這一事件沒(méi)旋轉(zhuǎn)一圈都會(huì)發(fā)生一次。接近齒面嚙合階次的階次誤差是由分度誤差引起的所謂的邊頻。在148到185之間的鬼階是由附屬的額機(jī)械動(dòng)力學(xué)或外部環(huán)境對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)振動(dòng)的影響引起的。齒輪的階次譜譜一般顯示出一個(gè)多種階次混合的特性，并創(chuàng)造出來(lái)較為惱人的噪音體驗(yàn)。我們的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)階譜，使其具有較低的齒面嚙合階次誤差，較低的邊頻和較高的鬼階數(shù)，占齒面嚙合引起的振動(dòng)能量的一定比例。
心理聲學(xué)指標(biāo)
由齒面嚙合激勵(lì)的振動(dòng)能量分布在一個(gè)階次譜的所有階上。一個(gè)沒(méi)有任何加工缺陷的齒輪顯示了一個(gè)沒(méi)有邊頻和沒(méi)有鬼階的階次譜。這里的振動(dòng)能量只能分布在齒面嚙合過(guò)程上。即使是這樣一個(gè)齒輪的低聲壓級(jí)也會(huì)給人一種惱人的聲學(xué)體驗(yàn)。帶有邊頻和鬼階的階次譜會(huì)產(chǎn)生更高的聲壓級(jí)，但聲音感知可能對(duì)耳朵不那么不愉快。
變速箱的噪音比大多數(shù)其他車輛的聲音要安靜得多。然而，它是一個(gè)惱人的噪音，因?yàn)樗囊粽{(diào)特征。應(yīng)用心理聲學(xué)特性的目的是通過(guò)使用數(shù)學(xué)方法匹配主觀評(píng)價(jià)與客觀可測(cè)量變量的主觀印象。
齒輪噪音的典型表現(xiàn)是鳴響、嘯叫和敲擊。當(dāng)應(yīng)用心理聲學(xué)原理時(shí)，只有這些特性與典型的齒輪噪聲相關(guān)。因此，重點(diǎn)要關(guān)注以下四種心理聲學(xué)特性。
響度：是一種聲音的感知強(qiáng)度，意味著聲音在單位面積的密度。在聲學(xué)中計(jì)算響度時(shí)考慮了頻率、帶寬、時(shí)間長(zhǎng)度和聲壓級(jí)。聲音中的響度與人耳的聲音強(qiáng)度的感知成正比。
音調(diào)：音調(diào)的計(jì)量單位為梅爾Mel，代表著聲音的頻率。當(dāng)單頻率或窄頻噪聲出現(xiàn)時(shí)，物體產(chǎn)生的音調(diào)變高。聲性與主觀聲音感知的煩惱相關(guān)。
波幅：描述了一個(gè)聲音的頻率很接近時(shí)的減少和增加。這種效應(yīng)被認(rèn)為是一種脈動(dòng)聲或嗡嗡聲，并引起警覺(jué)性。波動(dòng)強(qiáng)度的單位為Vacil。
銳度：如果噪聲激勵(lì)迅速變化并且保持到一個(gè)較高的頻率，會(huì)對(duì)人產(chǎn)生一種粗糙的聲音印象。銳度的計(jì)算是基于響度的頻譜中心。銳度的單位是Acum。
用簡(jiǎn)單的公式是不可能計(jì)算這些屬性的。需要復(fù)雜的算法。除了基于階譜對(duì)這四個(gè)心理-聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)外，還有一種易于理解的相關(guān)性方法。
-振幅的水平與響度相關(guān)。
-如果單個(gè)階數(shù)在頻譜中是突出的，那么音調(diào)會(huì)變得很高。
-一個(gè)較高的波動(dòng)振幅表明，較低的階次有一個(gè)高振幅引起的嗡嗡聲。
-一個(gè)高銳度是能夠很清晰的提示，振幅的邊頻太高了。
心理聲學(xué)特性有助于解釋SFT、SBN或TAT關(guān)于預(yù)期的潛在人類噪聲感知的階次譜。
影響齒輪噪聲的因素
在設(shè)計(jì)階段的響度
在設(shè)計(jì)階段定義了齒輪傳動(dòng)基本噪聲行為。宏觀幾何形狀和齒面微觀形貌決定了齒輪嚙合階次的振幅。在設(shè)計(jì)階段，為了提高響度的心理聲學(xué)特性，必須使齒輪嚙合傳動(dòng)誤差最小化。需要抵消齒面微觀形貌的修正，以應(yīng)對(duì)負(fù)載和加工后齒輪公差引起的位移和偏轉(zhuǎn)。
在應(yīng)用齒面微觀修型之前，需要正確設(shè)計(jì)齒輪尺寸。高接觸比可以使得齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)增多。這使得齒面負(fù)載能夠被分?jǐn)偅瑥亩岣吡顺休d能力和降低了齒面?zhèn)鲃?dòng)誤差。影響接觸比的設(shè)計(jì)參數(shù)為齒高、螺旋角和模數(shù)。如果宏觀設(shè)計(jì)做得不好，那么后期的噪聲優(yōu)化將不會(huì)成功。
制造過(guò)程中的音調(diào)、波動(dòng)振幅和銳度
在對(duì)齒輪噪音敏感的情況下，如在電動(dòng)汽車中，經(jīng)常發(fā)生所有齒輪精度都符合公差要求，但其中總有一些在齒輪箱最后的下線測(cè)試環(huán)節(jié)沒(méi)有滿足要求。由于在設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)對(duì)于預(yù)期噪音有了相關(guān)要求，因此原因可能是處在齒輪的某個(gè)制造環(huán)節(jié)。
與設(shè)計(jì)完全相對(duì)應(yīng)的齒輪將只顯示具有低聲壓級(jí)和高音調(diào)的齒輪嚙合情況。在實(shí)際制造過(guò)程中，完全消除和最小化齒輪嚙合階次的振幅是不可能的，但掩蓋部分噪聲將有助于改善主觀的聽(tīng)力印象。部分掩蔽降低了噪聲的響度，但并沒(méi)有完全掩蓋它。
添加低振幅鬼階和低振幅邊頻有助于部分掩蔽噪音。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)吸收的情況下，齒輪嚙合的振幅將大幅減少，但將會(huì)突出具有高振幅的邊頻階次。這樣的階次譜具有很高的銳度，而且會(huì)很煩人。作為一個(gè)次要效應(yīng)，波動(dòng)振幅在嗡嗡聲中是高度可見(jiàn)的。
影響階次譜只有在影響齒面幾何形狀時(shí)才會(huì)起作用。由于齒輪幾何形狀和齒輪質(zhì)量直接相關(guān)，挑戰(zhàn)在于找到不降低齒輪質(zhì)量而是提高部分掩蔽效果的措施。在下面的段落中，制造技術(shù)的重點(diǎn)是展成磨削。
影響齒輪齒面的表面結(jié)構(gòu)需要對(duì)磨削蝸桿進(jìn)行特殊的修整操作。在磨削過(guò)程中調(diào)節(jié)修整滾輪和磨削蝸桿的周向速度比時(shí)，通過(guò)向齒輪齒面向下移動(dòng)引起對(duì)磨削蝸桿的表面效應(yīng)。磨削蝸桿的某些部分具有較高的切削能力，有些較低。對(duì)齒輪齒面的幾何效應(yīng)將在不到一微米的范圍內(nèi)，因此不會(huì)影響質(zhì)量參數(shù)。
圖6顯示了修整后的磨削蝸桿表面對(duì)齒輪齒面的影響。
圖6 單頭蝸桿齒輪表面修整
圖6中的左圖顯示了一個(gè)單頭磨削蝸桿砂輪的一個(gè)升程。這些顏色代表了磨削蝸桿的表面修整情況。中間的圖片顯示了一個(gè)齒面的表面紋理與一個(gè)結(jié)構(gòu)平行于齒根和齒頂。右圖顯示了一個(gè)齒面的表面傾斜的紋理。
只有一些參數(shù)會(huì)影響齒輪齒面的紋理：
在修整過(guò)程中，磨修正輪和磨削蝸桿的速度比變化越大，紋理的大小就會(huì)增大。
當(dāng)速度比在修磨周期中變化時(shí)，紋理結(jié)構(gòu)的密度變得更加復(fù)雜。
紋理的傾角隨著每一工件旋轉(zhuǎn)的位移量的增加而增大。
到目前為止，這種方法將創(chuàng)建相同的輪齒，因此只會(huì)影響齒輪嚙合的頻譜。大幅度和高密度的結(jié)構(gòu)將增加齒輪嚙合高階的振幅。一個(gè)模糊的紋理散布在所有的輪齒上，就會(huì)產(chǎn)生鬼階。使用一個(gè)三頭的磨削蝸輪會(huì)創(chuàng)建一個(gè)模糊的紋理，如圖7所示。
圖7 多頭蝸桿磨削齒輪齒面修型
磨削蝸桿的磨削蝸桿頭1將在齒1上退出后，在齒2上啟動(dòng)蝸桿頭2，在齒3上啟動(dòng)頭3，以此類推。在工件旋轉(zhuǎn)一次后，磨削的蝸桿砂輪由于沿蝸桿和齒面最后接觸位置的寬度的行程運(yùn)動(dòng)而工作。現(xiàn)在開(kāi)始頭2在齒1上開(kāi)始磨削，在頭2上開(kāi)始磨削齒3，在頭3上開(kāi)始磨削齒1，以此類推。當(dāng)磨削蝸桿退出齒輪時(shí)，每個(gè)齒面都有略微不同的表面紋理，因此在階次譜中產(chǎn)生了鬼階和低振幅的邊頻帶。
通過(guò)這種被稱為安靜表面漂移技術(shù)(QSS)的磨削技術(shù)，可以產(chǎn)生最高質(zhì)量的齒輪，提高響度、音調(diào)、波動(dòng)振幅和銳度的心理聲學(xué)值，從而減少傳動(dòng)的噪音干擾。
總結(jié)
像聲壓水平這樣的物理測(cè)量并不適合用于預(yù)測(cè)主觀的聽(tīng)力體驗(yàn)。心理聲學(xué)原則允許通過(guò)使用數(shù)學(xué)方法匹配次主觀評(píng)價(jià)與客觀可測(cè)量的變量來(lái)客觀化主觀印象。滾動(dòng)測(cè)試提供了由階次譜表示的客觀可測(cè)值。安靜的表面位移(QSS)技術(shù)允許在不影響齒輪質(zhì)量的情況下，提高相關(guān)的頻譜參數(shù)的響度、音調(diào)、波動(dòng)振動(dòng)和銳度。