齒輪典型加工誤差的時域和頻域特征分析

張偉琦 馬洪濤 李陽

摘 要：齒輪作為汽車傳動系統(tǒng)的核心零部件，其加工精度對整車NVH性能至關(guān)重要。在齒輪加工過程中，不可避免的存在齒距誤差、齒形誤差以及磕碰等缺陷。文章以驅(qū)動橋主減速器為例，從振動特征這一維度詳細(xì)分析了幾種典型加工誤差對系統(tǒng)的振動噪聲的影響，同時還描述了各類型加工誤差在時域和頻域的表現(xiàn)特征。從而為汽車齒輪的加工誤差控制提供了明確的理論依據(jù)以及工作思路。

關(guān)鍵詞：齒輪;加工誤差;振動;時域特征;頻域特征

中圖分類號：U466 ?文獻標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-243-03

Abstract： As the main part of automobile transmission system， the machining accuracy of gear is very important to the NVH performance of the whole vehicle. In the manufacture process of gear， there are inevitable defects such as pitch error， tooth shape error and bump. Taking the main reducer of the drive axle as an example， this paper analyzes in detail the influence of several typical errors on the vibration and noise of the system， and also describes the performance characteristics of various machining errors in the time and frequency domain. Thus， it provides a clear theoretical basis and working ideas for the error control of automobile gears.

Keywords： Gear; Machining error; Vibration; Time domain feature; Frequency domain feature

CLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-243-03

前言

齒輪是動力傳動領(lǐng)域的核心零部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、輪船等傳動環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、傳遞功率大等優(yōu)點。常見的齒輪加工工藝有磨齒、滾齒、插齒、研齒等。在不同的領(lǐng)域或者傳動環(huán)節(jié)采用的工藝不同，以航空航天為例，在任何部位均采用磨齒工藝，因此成本也高。本文的研究對象為驅(qū)動橋主減速器，尤其是在重卡領(lǐng)域，在成本壓力下，行業(yè)內(nèi)普遍采用銑齒和研齒工藝，這種工藝普遍存在精度差，加工誤差大的缺陷。對此，下面將結(jié)合車橋主減速器的具體結(jié)構(gòu)，對典型加工誤差對主減速器系統(tǒng)的振動特性進行詳細(xì)分析。

1 主減速器結(jié)構(gòu)介紹

單級驅(qū)動橋主減速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，其主要由螺旋錐齒輪副、差速器、半軸齒輪等傳動部件和主減速器殼體組成。因其結(jié)構(gòu)所定，錐齒輪副作為最主要傳動部件在傳遞發(fā)動機、變速箱的轉(zhuǎn)速和扭矩的過程中，因齒面接觸而產(chǎn)生的嚙合激勵是影響驅(qū)動橋NVH性能的最主要因素。

2 典型加工誤差

2.1 單齒齒距誤差

單齒齒距誤差是指相鄰兩個輪齒在分度圓上的弧長尺寸偏差，是在齒輪的一個齒距轉(zhuǎn)角內(nèi)的誤差，對傳動平穩(wěn)性精度的影響較大。在實際切齒加工過程中，由于分度誤差的累積問題，往往表現(xiàn)為單齒齒距誤差過大的情況，見圖2。

2.2 齒距累積誤差

齒距累積誤差是指單齒齒距誤差在圓周方向上的累積結(jié)果。是指齒輪轉(zhuǎn)動一周內(nèi)的誤差，對運動精度的影響較大。在實際加工過程中，齒距累積誤差主要由工裝定位引起，如偏心等。導(dǎo)致齒距累積誤差表現(xiàn)為準(zhǔn)正弦函數(shù)的起伏現(xiàn)象，見圖3。

2.3 齒形誤差

齒形誤差是指實際加工齒廓偏離理論齒形的誤差，主要是由于在齒輪加工過程中刀具的磨損、工裝精度、機床進給精度以及熱處理變形導(dǎo)致的。圓柱輪主要通過齒形和齒向兩個維度進行控制齒形誤差。對于車橋主減速器齒輪而言，主要通過齒面拓?fù)湔`差進行評價，見圖4。

2.4 磕碰

磕碰是指齒輪在生產(chǎn)過程中，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致齒面與硬物撞擊，導(dǎo)致齒面存在局部突起或者凹坑等問題。

3 時域和頻域特征

3.1 齒距誤差的振動特征

3.1.1 單齒齒距誤差

（1）時域特征

單齒齒距誤差的存在會導(dǎo)致齒輪在一周圈的轉(zhuǎn)動過程中，存在局部沖擊問題。當(dāng)這一局部沖擊明顯高于其它齒的嚙合沖擊能量時，在時域里面則表現(xiàn)為以轉(zhuǎn)頻為周期的瞬時脈沖特征，見圖5。

（2）頻域特征

齒輪振動信號主要分為齒頻載波和轉(zhuǎn)頻調(diào)制波兩部分。由于以轉(zhuǎn)頻為周期的瞬時脈沖特征，在時域里面對載波存在一定地調(diào)頻與調(diào)幅作用。因此，通過傅里葉變換進入頻域后，則表現(xiàn)為在齒頻周圍等間隔地分布著邊頻帶，頻率間隔即為轉(zhuǎn)頻，見圖6。

3.1.2 齒距累積誤差

（1）時域特征

齒距累積誤差在角度域表現(xiàn)為準(zhǔn)正弦函數(shù)的漸變誤差，因此映射到時域振動信號的特征，同樣為漸變的振幅波動，即典型的調(diào)幅現(xiàn)象。其本質(zhì)也是轉(zhuǎn)頻信號對齒頻信號的調(diào)幅作用?？梢岳斫鉃?，在一周圈的嚙合過程中，受到齒距累積誤差的影響，輪齒嚙合能量存在周期性的波動，見圖7。

（2）頻域特征

前文已經(jīng)指出，時域調(diào)幅問題經(jīng)過傅里葉變換后，在頻域里面表現(xiàn)為在齒頻周圍等間隔地分布著邊頻帶，頻率間隔即為轉(zhuǎn)頻，見圖8。

3.2 齒形誤差的振動特征

齒形誤差主要作用于齒輪嚙合頻率能量，對于能量的分析同樣可通過時域和頻域進行對比，鑒于時域能量增長僅僅是幅值的線性增長，波形不存在起伏，因此，此處以某錐齒輪副為例，給出齒形誤差較低和嚴(yán)重的兩種情況的頻域?qū)Ρ?，見圖9。

3.3 磕碰的振動特征

磕碰問題與單齒齒距誤差類似，在齒輪運轉(zhuǎn)過程中，在局部轉(zhuǎn)角位置存在時域脈沖問題，但是此類沖擊能量較弱。僅僅在車橋低速空載磨合過程中，可以看到輕微的瞬時沖擊信號。

4 結(jié)論

首先，文章系統(tǒng)地介紹了車橋主減速器的結(jié)構(gòu)，指出錐齒輪副是影響車橋NVH性能的關(guān)鍵零部件。其次，詳細(xì)介紹了對錐齒輪副NVH性能影響較大的集中典型加工誤差，并就其產(chǎn)生原因給出了明確解釋。進而，結(jié)合時域和頻域特征，對典型加工誤差對錐齒輪振動特征影響，進行了深入的分析和討論。最后，本文的研究為錐齒輪副的加工、設(shè)計以及NVH性能的控制思路提供指導(dǎo)。

參考文獻

[1] 龐劍，譫剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2] 孫振明.齒輪振動信號分析方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

[3] 劉艷芳，賴俊斌，樂會軍，徐向陽，李晟.斜齒輪振動噪聲分析方法[J].振動，測試與診斷，2016，35（5）.