齒輪噪聲激勵的根本原因
坎貝爾圖
齒輪噪音是一種空氣傳播的聲音。車輛的零部件會發(fā)生振動并發(fā)出在空氣中傳播的聲音。為盡量減少空氣傳播的聲音，可采取主動和被動降噪措施。主動措施側(cè)重于找出根本原因，使振動最小化，而被動措施則處理優(yōu)化從振動源到人耳的聲學(xué)傳遞路徑。
本文通過關(guān)注齒輪嚙合的激勵的主動措施，來降低齒輪傳動的噪音問題。
并不是每一種齒輪嚙合激勵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了總成的固有頻率時，才會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)承載噪聲(SBN)。SBN是否會轉(zhuǎn)換為空氣噪聲取決于聲學(xué)傳播路徑。
齒輪嚙合激勵與傳動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所示顯示了傳動過程中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。
臨界齒輪嚙合激勵只有那些傾斜線穿過水平線的情況。在這里，齒輪嚙合激勵刺激傳動的特征模式，根據(jù)聲傳輸路徑，SBN將轉(zhuǎn)換為可聽到的空氣噪聲。
齒面形貌的修正和失配嚙合
齒面嚙合激勵的原因是什么?在一個完美的漸開線齒輪廓的情況下，齒面嚙合傳動誤差將為零，即不存在激勵。由于制造誤差和載荷引起的變形，會使得未修型的漸開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和齒長鼓形Cβ對齒輪嚙合傳動誤差有顯著影響，應(yīng)保持較小的數(shù)值。
很明顯，齒輪設(shè)計工程師必須降低齒輪嚙合傳動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，它們提供了一個較大的齒面嚙合誤差與更高的激勵到其他裝配零部件中。
齒輪噪音測試
無加載嚙合
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試中會不被通過。如果在最后的總成測試中發(fā)現(xiàn)這種情況，通常會需要耗費較大成本進(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)問題的方法。圖3顯示了一對齒輪在嚙合過程中的不同影響情況。
通過無加載嚙合測試可以發(fā)現(xiàn)三組影響的參數(shù)：
齒面加工過程中的一些缺陷;
負(fù)載引起的位移和偏轉(zhuǎn);
變速箱總成的阻尼特性。
當(dāng)加工過程中某一個批次的某些齒輪在噪音中表現(xiàn)為不可接受的現(xiàn)象時，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顯示出實質(zhì)性的影響，但在齒輪加工過程中會發(fā)生齒面形貌的變化修正和額外的加工缺陷。
圖3 齒輪嚙合過程中的影響因素好消息是，未加載的齒面嚙合足以預(yù)測噪聲情況。所有齒面幾何形狀的變化都可以在非加載齒面嚙合檢測中檢測到。圖3以紅色顯示了齒面嚙合對噪聲激勵的關(guān)鍵影響。
波紋度分析
齒輪檢測和閉環(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方面研究的重點。特別是，規(guī)則的表面缺陷在噪聲激勵方面是很復(fù)雜的。計量評價標(biāo)準(zhǔn)中的齒形和齒向誤差只是檢測波形等規(guī)則表面缺陷的基本方法。
滾動測試
齒面二維分析測試
齒輪測量機必須能夠檢查振幅到100nm的波形。如果存在一個有動力的測量裝置，波紋度分析是檢測噪聲臨界齒輪的最合適工具。當(dāng)然，必須給出傳動噪聲和順序的波形振幅之間的相關(guān)性。
SFT-單齒面分析測試
在SFT中，被動齒輪和主動齒輪處于準(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顯示了嚙合傳動精度的質(zhì)量。這種準(zhǔn)靜態(tài)測量原理的優(yōu)點是重復(fù)性高，對不同測試設(shè)備的一致性較高。
圖4 齒輪嚙合檢測中SFT檢測
圖4顯示了一個有37個齒的齒輪的SFT結(jié)果。嚙合傳動誤差為黑色曲線。為了便于理解，將嚙合傳動誤差分解為藍(lán)色長波內(nèi)容和綠色短波內(nèi)容。
SFT可以精確地檢測齒面嚙合的偏差。然而，SFT只適用于較低轉(zhuǎn)速的情況，因為不允許產(chǎn)生相關(guān)效應(yīng)，以避免測試設(shè)備對嚙合傳動誤差結(jié)果的影響。即使是SFT也比齒輪檢測機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床和SFT測試儀的1：1的比例對所有齒輪進(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。測試的齒輪轉(zhuǎn)速為500到2000rpm。振動傳感器記錄SBN測試設(shè)備的振動。盡管這個測試原理關(guān)注的是齒輪環(huán)境的激勵特征模式，但與真正的變速箱還是有所不同。SBN不是激勵齒輪箱組件的基本結(jié)構(gòu)模態(tài)，而是激勵測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)模態(tài)。然而，SFT給出了一個明確的指示，關(guān)于齒輪嚙合的基本模態(tài)，特別是對于更高的頻率范圍。
TAT扭轉(zhuǎn)加速度試驗?
扭轉(zhuǎn)加速度測試以相同的速度運行，如SBN測試狀態(tài)。與SBN的區(qū)別在于用于捕獲振動的傳感器設(shè)備的類型。SBN處理的信號來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)加速度計進(jìn)行測試。TAT只記錄由齒面嚙合引起的旋轉(zhuǎn)加速度。因此，測試設(shè)備的動態(tài)影響產(chǎn)生的效果要小得多。為了在不受測試設(shè)備影響的情況下獲得扭轉(zhuǎn)加速，需要計算SFT結(jié)果的二階導(dǎo)數(shù)—由于SFT的準(zhǔn)靜態(tài)條件，測量時間較長。?
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階次譜。而不是觀察每個旋轉(zhuǎn)位置的偏差，階次譜告訴我們，每旋轉(zhuǎn)一個事件發(fā)生的頻率以及這個事件有多大。圖5顯示了圖4所示的SFT結(jié)果的順序譜。
圖5 階次譜
階次譜提供了一個詳細(xì)的齒面嚙合動作的內(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，只有加工缺陷才會導(dǎo)致鬼階的出現(xiàn)。
例如，第一階次來自工件跳動。這一事件沒旋轉(zhuǎn)一圈都會發(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械動力學(xué)或外部環(huán)境對機械基礎(chǔ)振動的影響引起的。齒輪的階次譜譜一般顯示出一個多種階次混合的特性，并創(chuàng)造出來較為惱人的噪音體驗。我們的目的是設(shè)計一個階譜，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能量的一定比例。
心理聲學(xué)指標(biāo)
由齒面嚙合激勵的振動能量分布在一個階次譜的所有階上。一個沒有任何加工缺陷的齒輪顯示了一個沒有邊頻和沒有鬼階的階次譜。這里的振動能量只能分布在齒面嚙合過程上。即使是這樣一個齒輪的低聲壓級也會給人一種惱人的聲學(xué)體驗。帶有邊頻和鬼階的階次譜會產(chǎn)生更高的聲壓級，但聲音感知可能對耳朵不那么不愉快。
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，它是一個惱人的噪音，因為它的音調(diào)特征。應(yīng)用心理聲學(xué)特性的目的是通過使用數(shù)學(xué)方法匹配主觀評價與客觀可測量變量的主觀印象。
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，只有這些特性與典型的齒輪噪聲相關(guān)。因此，重點要關(guān)注以下四種心理聲學(xué)特性。
響度：是一種聲音的感知強度，意味著聲音在單位面積的密度。在聲學(xué)中計算響度時考慮了頻率、帶寬、時間長度和聲壓級。聲音中的響度與人耳的聲音強度的感知成正比。
音調(diào)：音調(diào)的計量單位為梅爾Mel，代表著聲音的頻率。當(dāng)單頻率或窄頻噪聲出現(xiàn)時，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：描述了一個聲音的頻率很接近時的減少和增加。這種效應(yīng)被認(rèn)為是一種脈動聲或嗡嗡聲，并引起警覺性。波動強度的單位為Vacil。
銳度：如果噪聲激勵迅速變化并且保持到一個較高的頻率，會對人產(chǎn)生一種粗糙的聲音印象。銳度的計算是基于響度的頻譜中心。銳度的單位是Acum。
用簡單的公式是不可能計算這些屬性的。需要復(fù)雜的算法。除了基于階譜對這四個心理-聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)評價外，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)。
-如果單個階數(shù)在頻譜中是突出的，那么音調(diào)會變得很高。
-一個較高的波動振幅表明，較低的階次有一個高振幅引起的嗡嗡聲。
-一個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)計階段的響度
在設(shè)計階段定義了齒輪傳動基本噪聲行為。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誤差最小化。需要抵消齒面微觀形貌的修正，以應(yīng)對負(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)計齒輪尺寸。高接觸比可以使得齒輪同時嚙合的齒數(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)鲃诱`差。影響接觸比的設(shè)計參數(shù)為齒高、螺旋角和模數(shù)。如果宏觀設(shè)計做得不好，那么后期的噪聲優(yōu)化將不會成功。
制造過程中的音調(diào)、波動振幅和銳度
在對齒輪噪音敏感的情況下，如在電動汽車中，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試環(huán)節(jié)沒有滿足要求。由于在設(shè)計階段，已經(jīng)對于預(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制造環(huán)節(jié)。
與設(shè)計完全相對應(yīng)的齒輪將只顯示具有低聲壓級和高音調(diào)的齒輪嚙合情況。在實際制造過程中，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力印象。部分掩蔽降低了噪聲的響度，但并沒有完全掩蓋它。
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，而且會很煩人。作為一個次要效應(yīng)，波動振幅在嗡嗡聲中是高度可見的。
影響階次譜只有在影響齒面幾何形狀時才會起作用。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)的重點是展成磨削。
影響齒輪齒面的表面結(jié)構(gòu)需要對磨削蝸桿進(jìn)行特殊的修整操作。在磨削過程中調(diào)節(jié)修整滾輪和磨削蝸桿的周向速度比時，通過向齒輪齒面向下移動引起對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)，因此不會影響質(zhì)量參數(shù)。
圖6顯示了修整后的磨削蝸桿表面對齒輪齒面的影響。
圖6 單頭蝸桿齒輪表面修整
圖6中的左圖顯示了一個單頭磨削蝸桿砂輪的一個升程。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齒面的表面紋理與一個結(jié)構(gòu)平行于齒根和齒頂。右圖顯示了一個齒面的表面傾斜的紋理。
只有一些參數(shù)會影響齒輪齒面的紋理：
在修整過程中，磨修正輪和磨削蝸桿的速度比變化越大，紋理的大小就會增大。
當(dāng)速度比在修磨周期中變化時，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。一個模糊的紋理散布在所有的輪齒上，就會產(chǎn)生鬼階。使用一個三頭的磨削蝸輪會創(chuàng)建一個模糊的紋理，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上啟動蝸桿頭2，在齒3上啟動頭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動而工作。現(xiàn)在開始頭2在齒1上開始磨削，在頭2上開始磨削齒3，在頭3上開始磨削齒1，以此類推。當(dāng)磨削蝸桿退出齒輪時，每個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)、波動振幅和銳度的心理聲學(xué)值，從而減少傳動的噪音干擾。
總結(jié)
像聲壓水平這樣的物理測量并不適合用于預(yù)測主觀的聽力體驗。心理聲學(xué)原則允許通過使用數(shù)學(xué)方法匹配次主觀評價與客觀可測量的變量來客觀化主觀印象。滾動測試提供了由階次譜表示的客觀可測值。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)、波動振動和銳度。