卡车和全轮驱动汽车传动系统装置降噪减振的技术方法

1、卡车和全轮驱动汽车传动系统装置降噪减振的技术方法摘要：本文旨在探索卡车和全轮驱动汽车的降噪减振方法。通常人们通过修改齿轮微观几何形状来修正卡车传动失准，减少传动误差，并考虑小齿轮齿面修形的多种可能。如果完成适当的设计，小齿轮齿面的拓扑修形能够双倍地减少传动误差。传动误差的减少将相应地减少卡车传动系统/装置产生的噪音/振动。本文将针对低/无噪声汽车传动装置提出一项拓扑修形后小齿轮齿面抛光的先进技术。关键词：卡车；全轮驱动汽车；传动系统；传动装置；齿轮噪声；振动引用本文时应参照如下格式：Radzevich, S.P. (2006) Technological methods for noise/v

2、ibration reduction in driveline/transmission of trucks and all-wheel-drive vehicles, Int. J. Vehicle Noise and Vibration, Vol. 2, No. 4, pp.283291.作者简介：Stephen P. Radzevich系机械工程与制造工程学教授，已获得机械工程学的硕士（1976年）、博士（1982年）和（工程学）理学博士学位（1991年）。他具有丰富的齿轮设计制造的产业经验，在过去3 0多年里一直致力于开发优化齿轮设计的软件、硬件和其他工艺程序。除了投产的工作外，他还对

3、工程专业的大学生和企业设备工程师进行培训。他共单独和与他人合作撰写了28本专题著作、250多篇科学论文，拥有150多项相关领域的专利。1 序言由卡车和全轮驱动汽车的传动系统和传动装置激发的噪声和振动是一个恼人的问题。其他系统噪声激发器（如引擎）的声音不断降低的情况下，上述问题显得更加突出。许多因素会造成噪声和振动，理论上这些因素都可以消除。传动误差、齿轮作用、啮合刚度变化、轴向力穿梭、摩擦、气体和润滑油阻塞都是产生噪音和振动的原因，而传动误差是齿轮噪声形成的最重要因素。人们通常通过修改齿轮微观几何形状来修正卡车传动失准，减少传动误差。遗憾的是，应用消除齿轮噪声的方法在设备和人力上的代价都很高。

4、为此，需要开发一项高效的技术方法来抛光经过预设计表面修形的精密齿轮。鉴于汽车行业对齿轮大规模生产的需要，径向剃齿法和的特殊设计剃齿刀的应用将大有前途。2 文献综述：研究课题的形成减少齿轮噪声/振动激发是一个复杂的工程问题，包括许多十分重要的方面。其中一些直接涉及到轮齿表面修形的优化，现将其简要综述如下。2.1轮齿表面修形的种类设备工程师和研究人员开发了许多轮齿表面修形的方法。从许多资料中（例如从Radzevich（2004 b，2005 a）等人的研究中）可以了解到齿向鼓形、齿廓修形、齿廓修形鼓形一体化、平滑正则曲面型的三维轮齿表面修形和啮合方向修形（交叉修形）等修形方法，在抛物线齿面修形2以

5、及拓扑齿面修形方面也已有许多研究（Winter和Stolzie，1989）。轮齿表面修形使齿轮保持与轮齿中部的接触，并允许隔绝使载荷能力降低的边缘接触，允许放宽齿轮组装的偏差幅度以保持中部接触（Houser和Harianto，2005）。2.2轮齿表面修形对卡车传动系统/装置的噪声/振动激发的影响噪声激发的要求因应用场合不同而不同。Hoppe和Pinnekamp的文章（2004）集中考虑了风力涡轮齿轮传动及其航海应用实例中的噪声表现，在此基础上描述了噪声的要求和解决方案。本文还较齿轮微观几何和计算结果展示了车间试验和现场试验的要求和测量实例。优化载荷和压力的轮齿修形在生产中很普遍，优化噪声和振

6、动的轮齿修形则需要更高的生产精度和比鼓形修整和修缘更复杂的修形（Geiser, 2004）。接触斑点方向变化性的增强使拓扑修形在低噪声低振动的表现上显示出了优势。Beghini et al.（2004a）提出了一个在额定转矩下依据齿廓修形参数减少给定正齿轮组传动误差的简单方法，该方法需要对高级软件的迭代仿真。载荷下的齿轮旋转在齿啮合频率及其谐波之间产生动态载荷（Talbert, 2004），动态载荷在齿轮中激发流动的波振动。其他系统噪声激发器（如马达、引擎和机翼）发出的声音持续下降，使齿轮发出嘎吱声的问题显得更严重了（Houser et al., 2004）。要控制齿轮的嘎吱声，必须选择适合的

7、齿轮设计以及优化设计所需的齿廓修形方案。典型的齿轮设计程序建立在迭代过程之上，该过程用相当基础的公式来预测压力（Houser, 2002）。修缘和齿向鼓形等修形都以经验为基础，通常在考虑设计之后选择修形方案。平行轴齿轮（如正齿轮和斜齿轮）拓扑的修正使齿轮组载荷分布更均匀、噪声更小、运转更平稳（Jules, 1993）。利用运转模式下的齿轮有限元分析引发了大小齿轮表面的径向和切向变形，在运转中加载齿轮时就会发生这种变形。经支撑轴和轴承传送到齿轮箱的齿轮啮合动力产生了噪声（Houser和Harianto，2005）。尽管噪本身是动态的，本文对所采用噪声指标的处理却将使用静态方式，以使设计者在设计阶

8、段能够将噪声激发减至最小。 考虑到峰间传动误差是产生正齿轮吱嘎声的主要原因，本研究旨在（Beghini et al., 2004b）开发出额定转矩下齿廓修形的简单方法。作者使用半解析法和有限元法一体化软件进行了啮合仿真，分别研究了低接触率和高接触的齿轮。 应用预设计的传动误差抛物线函数可以合并失准造成的传动误差的准线性间断函数，这是降低齿轮传动噪声和振动的关键（Litvin和Fuentes, 2004）。2.3 预设计齿面修形后的齿轮抛光方法1954年，Kawasaki提出了双剃抛光工艺，其设计旨在提高机器减速器载荷能力的同时降低运转噪声（Kawasaki, 2000）。1990年，Kawas

9、aki开发了第一台具有超精密电脑数控系统的磨齿设备。当然，通过卡车和全轮驱动汽车传动线和传动装置影响噪声/振动激发的因素不止于此。研究课题的形成。开发一项有效的预设计表面修形后的精密齿轮抛光方法，以适应用于卡车和全轮驱动汽车传动线/装置的齿轮的大规模生产需要。综上所述，应重新考虑标准渐开线斜齿圆柱齿轮的正则化，同时应对齿轮进行齿面修形。为抵消传动误差的影响和轮齿表面间的接触错位需要进行齿面鼓向修形。还需要改进对螺旋渐开线齿轮齿面的分离，以提供能够降低齿轮失准敏感度的新的拓扑法。3 齿轮齿面修形的方法比较 在为卡车和全轮驱动汽的传动线或传动装置开发有效的降噪减振方法之前，有必要先确定作为首选的轮

10、齿表面修形方法。如文献综述（论文第二部分）所示，有两种齿轮齿面修形方法最有可能减少降噪声/振动激发，分别是：预设计抛物线修形法拓扑齿面修形法3.1预设计抛物线修形法的潜力评估许多资料表明，如果完成适当的齿面设计，抛物线修形法能够双倍地减少传动误差，相应地降低噪声。据作者所知，这种说法以齿轮啮合的TCA计算机软件建模为基础。很遗憾，作者没能找到从实验和（或）实践角度证实轮齿表面抛物线修形效率的资料。为方便读者理解，我们将简要分析对轮齿表面面拓扑修形效率的常见解释。按Litvin和Fuentes（2004）的观点，理想的齿轮系的传动误差是线性的，可用2=（N1/N2）*1表示，N1和N2分别为大小

11、齿轮齿数，1和2分别为大小齿轮旋转角度。由于传动失准，传动函数随着大小齿轮啮合角度差的周期性变化呈分段准线性形式（图1（a）。由于啮合角速度骤增，加速度趋向于无限大，产生较大振动幅度。若给定传动误差的预设计函数，齿轮传动函数2=2（1）将为（理想的）线性函数2=2（1）与抛物线函数之和。图1（b）示例了传动曲线。两条传动曲线理想的传动曲线2和预设计的传动曲线2（1）在每两个接触点间相切，在切点处两函数导数值均为m21。对传动函数的简要分析被广泛引用，得到了普遍的认可。涉及啮合系数恰好为1（cr = 1）的基本齿轮传动（如大小齿轮啮合）的分析中，该解释显而易见。但是，实际上啮合系数大于1（cr

12、> 1）。结果是，在某些啮合过程中，两对轮齿而不是一对同时发生接触。一般来说，不同的相互接触的轮齿对的传动误差分段线性函数不同。任一啮合周期根据其前一周期或后一周期向1轴移动距离Cm。实际移动距离Cm取决于实际啮合系数cr。由传动函数和得到啮合系数大于1（cr > 1）的基本齿轮系传动终函数。同理，对任意大于2的实际啮合系数值（cr > 2）可构造终函数。图2显示，在cr > 1的情况下最终传动函数与通常的研究结果大不相同（Litvin和Fuentes，2004）。此外，不能用文中建议的方法将其合并到预设计的抛物线齿面修形中（Litvin和Fuentes，2004）。当

13、大小齿轮数（N1和N2）不存在公倍数时，更加偏离研究结果。3.2评价拓扑齿面修形的潜力 小齿轮齿面拓扑修形的最佳参数值通常由实验确定。因此，经过拓扑修形的轮齿形状正常，能在既定运转条件下最大程度地降噪减振。小齿轮的齿面拓扑修形与预设计抛物线齿面修形对大小齿轮数的公倍数一样敏感，但实际上与后者相比前者能更有效地降噪减振。当然，在理想的情况下，预设计的轮齿表面修形能在点A将加速度减至尽可能低的范围（图1（b）。这意味着，传动误差的偏差2应该尽可能地小，而距180度的角度偏差也须尽可能最小。初步结论。本文推测在降噪减振潜力方面，轮齿表面的拓扑修形要优于抛物线修形。 下文将讨论针对低噪声或无噪声传动线

14、或传动装置的小型精密齿轮拓扑修形后抛光方法。此外，该轮齿表面抛光方法也可用于预设计的抛物线轮齿表面修形。4 径向剃齿的拓扑修形齿面抛光功能适应汽车行业需要的精密齿轮抛光方法有多种（Radzevich，2003a，2004 c， 2005b）。事实证明，径向剃齿方法最符合车用齿轮大规模生产的需要（Radzevich，2003a，2004 c， 2005b）。操作径向剃齿时（图3）齿轮经剃齿刀抛光（图4）。抛光过程中剃齿刀分别以角速度p和c绕Op 轴和Oc轴旋转。旋转中应保持p和c相对速度不变，如按等式p/c = Nc/Np确定相对速度，Nc和Np分别为小齿轮和剃齿刀的齿数。取轴线之间距离最短的方向安装切割。因为所用时间很短，现在所有中到大规模的齿轮生产都使用剃齿。用对角剃齿法切削一个汽车变速箱部件所需时间约为1分钟，而用径向剃齿来切削则只需10秒钟或稍多一点（Radzevich，2003，2005b）。由于周期极短，径向剃齿的生产效率很高。作者早先的研究表明，使用径向剃齿能够抛光精密的渐开线齿轮，实际齿面与期望齿面偏差不超过1微米（图5）。5 结论本文讨论了小齿轮齿表面修形的不同方法，研究了啮合系数对传动误差参数的影响。对小齿轮齿