（机械工程专业论文）变速箱齿轮噪音分析与优化.pdf

摘要 1 1 1 11 1 11ui i iq11 1 111 1 1i i i l y 2 0 4 2 0 8 9 摘要 汽车制造业是我国国民经济发展的支柱产业，随着汽车的普及，人们对汽 车的认识越来越深，对汽车的使用性能也提出了越来越高的要求。作为评价汽 车性能的重要指标之一的噪声也越来越多的成为人们关注的焦点。各大汽车厂 商纷纷努力将噪音控制在最小状态，来为乘客提供一个舒适的乘坐环境。汽车 变速箱作为汽车传动系统的主要部件，其承担着从发动机到整车的动力传输， 可同时也在产生着噪音。如何降低变速器噪音便成为整车厂或是变速器企业首 要考虑的问题之一。 本文以变速器最常见的齿轮啸叫为研究对象，着重介绍了r e i l h o f e r 系统在 台架中的应用，通过阶次分析发现故障阶次，并进一步锁定故障零件，为下一 步的齿轮优化确定了方向。 通过对齿轮加工数据以及r e i l h o f e r 系统的振动数据的分析，提出了优化建 议，借助r o m a x 变速箱分析软件，对优化的齿形齿向进行模拟生产条件下的传 动误差分析，根据不同扭矩条件下的传动误差来分析改进的效果。 最后通过台架的检测和整车检测来进一步的验证优化后的实际改进效果， 通过比较，优化后的齿形齿向进一步降低了传动误差，改善了变速器的噪音。 关键词：齿轮啸叫，r e i l h o f e r ，r o m a x a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t a u t o m o t i v ei n d u s t r yi st h ep i l l a ri n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fc a r s ，p e o p l eh a v ea c k n o w l e d g e dm o r ea n dm o r et h ea u t o t e c h n o l o g ya n dh o p et h eh i g h e rp e r f o r m a n c eo f t h eg a l a so n eo ft h ei m p o r t a n t e v a l u a t i o ni n d i c a t o r , n o i s ei sb e c o m i n gt h ef o c u sf o rm o r ea n dm o r ec u s t o m e r m e a n w h i l e ，n e a r l ya l l a u t om a n u f a c t u r e r sa r et r y i n gt od e c r e a s et h en o i s el e v e lt o c r e a t eam o r es i l e n ta n dc o m f o r t a b l ee n v i r o n m e n tf o rd r i v e r s t r a n s m i s s i o ni so n e o f t h em o s ti m p o r t a n ts u b s y s t e mo fv e h i c l e ，w h o s ef u n c t i o ni st h a tt r a n s f e r r i n gt h e p o w e rf r o me n g i n et ov e h i c l et od r i v et h ec a rm o v e a n dc r e a t i n gn o i s ea sw e l l h o w t 0c o n 仃o lt h en o i s ea n dd e c r e a s et h en o i s ei sb e c o m i n gt h ef i r s tp r o b l e mf o r a l l v e h i c l em a n u f a c t u r e r s t h ed o c u m e n ts h o w st h ea p p l i c a t i o no fr e i l h o f e rs y s t e ma tt h ee n do fl i n e t h r o u g ht h ep r o c e s so fs o l v i n g t h eg e a rw h i n ei s s u e b ya n a l y s i so fv i b r a t i o n s p e c t r u m ，f i n d i n go u t t h ef a i l u r ep a r ta n ds h o w i n gad i r e c t i o nt of u r t h e ro p t i m i z eg e a r d a t a t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rg e a rm a n u f a c t u r ed a t u m o ff a i l u r ep a r ta n dv i b r a t i o n d a t l u no fr e i l h o f e r , w ec a nf i n ds o m es i g n i f i c a n td i f f e r e n c ef r o mo t h e rm o n t h s d a t a a n dt h e n , m o d e l i n gt h et r a n s m i s s i o ni nr o m a xa n ds i m u l a t i n gt h et r a n s m i s s i o ne r r o r a ts o m et y p i c a lt o r q u ec o n d i t i o n st of i n dt h er e s u l to fo p t i m i z a t i o n a tl a s t , b yc o m p a r i n gt h e v i b r a t i o na n a l y s i so fr e i l h o f e ra n dr o a dt e s t , w ef o u n d t h eo p t i m i z a t i o nf o rg e a rl e a da n dp r o f i l ei su s e f u lt od e c r e a s et h en o i s el e v e lo f t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：g e a rw h i n e ，r e i l h o f e r ，r o m a x u 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 客户反馈我公司生产的一款5 档位手动变速箱在行驶过程中在3 档c o a s t 过程中产生啸叫。返回的变速箱经过再次测试依然能明显听到啸叫，测试时检 测到异常振动和声音信号特征。 1 2 齿轮噪音国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外学者对齿轮传动系统的振动特性进行了广泛和 深入的研究。m r a 。k a h a m n a 等人对齿轮振动特性做了大量的研究工作，分析 了轴向振动对斜齿轮传动特性的影响，以及多对斜齿轮和行星齿轮在啮合条件 下的动力学特性，还通过动态试验的方法分析了齿轮渐开线重合度、齿项修缘 和齿轮受迫响应特征对齿轮动态性能的影响。t t s u t a 通过将齿轮激励力描述为 齿轮啮合刚度和齿轮误差的乘积，给出了齿轮啮合冲击力的计算方法。h a r u o h o u j o h 等通过对弹性齿轴上的斜齿轮进行振动分析，发现了轴承阻尼特性、啮 合面特性和齿轮啮合刚度的变化对斜齿轮的啮合特性的影响1 】【2 】【3 1 。 2 0 0 0 年，r g p a r k c r 通过c a e 方法建立的齿轮啮合的动力学模型，其计算 结果和试验数据吻合。通过齿轮啮合过程的分布计算，研究了齿轮的误差激励 和刚度激励【4 】【5 1 。 2 0 0 2 年，p v c l e x 通过齿轮模型，分析了齿轮的摩擦性质，并给出了f f t 函 数的形式的齿轮激励的等值线，得出了齿轮的几何参数的变化对齿轮啮合激励 结果的影响。 2 0 0 3 年，l v e d m a r 发现了齿轮的动力载荷计算的新方法，通过对起支撑作 用的轴承和齿轮的变形进行分析，来计算齿轮在运转过程中的齿轮的啮合特性。 从计算结果发现，齿形变化是对齿轮的啮合接触有较大影响。 第l 章绪论 e 硒孕u d 等学者认为齿轮参数的制造公差是齿轮系统的啮合振动和传动噪声 主要因素。通过研究轴承的刚度变化以及齿轮设计参数由于制造公差的影响对变 速器振动的影响，指出轴承的刚度变化会对齿轮的啮合刚度产生影响，进而影响 到变速器壳体的振动。并通过计算，得出了轴承的刚度变化对变速箱振动和噪声 的影响。2 0 0 4 年，y u a ni - i g u a n a 等学者对齿轮传动系统的传递误差激励进行了 模拟。通过齿轮传动系统的c a e 模型，计算了齿轮传动系统在不同误差参数的 激励影响下的振动响应，结果表明，齿轮啮合传动系统的振动主要方向是横向振 云f l 6 1 7 1 隅1 9 1 1 0 1 吲o 在设备和软件研制方面，国外企业对噪声的研究相比国内企业走在前面。如 英国的变速器虚拟原型仿真软件r o m a x ，德国的h e a d a c o u s t i c s 股份有限公司， m u e l l e rb b m 公司，比利时的l m s v i r t u a l 1 a b 公司等。 1 2 2 国内研究现状 2 0 0 0 年以来，国内许多高校学者对齿轮啮合特性进行了深入细致的研究。 唐进元等学者通过多年的分析和研究，推导出来齿轮线外啮合的刚度计算方法。 并利用a n s y s 有限元法分析得出了冲击速度，齿宽与冲击力的数值关系和冲击 时间。 周长江等学者通过对线外啮合的进一步研究，得出了摩擦力的特性关系， 得出了在线外啮合阶段的准确结果，为修行、降噪提供了很好的理论工具。 吉林大学的梁杰等教授在对齿轮箱振动噪声的分析研究中认为齿轮的制造 误差，装配误差是齿轮振动噪声的主要原因，同时也指出了通过振动分析，相 干函数分析是找到齿轮振动噪声故障问题的有力工具1 1 】1 1 2 】【1 3 】【1 4 j 【15 1 。 1 3 课题的主要研究内容及研究意义 1 3 1 主要研究内容 通过对故障变速器振动信号的检测和分析，找到产生噪音的异常部件，通过 对制造数据和传递误差计算结果的分析，进一步优化齿轮参数，达到降低变速 器噪音的目的。 在整个课题的调查和分析中，主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 放障变速器在台架下线检测系统中的振动信号的分析和诊断： ( 2 ) 齿轮变速器在台架下线检测系统中的振动历史数据分析； 2 第1 章绪论 ( 3 ) 齿轮加工历史数据分析； ( 4 ) r o m a x 的变速器系统建模及传动误差分析； ( 5 ) 变速器整车h e a da c o u s t i c 测试分析和对比验证； 1 3 2 研究意义 通过对变速器齿轮噪声的问题分析，以及齿轮优化，进一步降低了变速器的 齿轮噪音，提高了产品合格率，为企业创造了可观的经济效益。同时也为今后 的变速器齿轮噪音的改善，奠定了良好的基础。 1 4 论文的特点 该课题研究将虚拟仿真、故障信号分析与生产制造紧密联系，有效地实现了 齿轮分析和优化，主要有以下几方面的特点： ( 1 ) 通过r e i l h o f e r 系统的变速器台架测试，提取故障变速器的振动信号，通 过对故障振动信号的阶次分析，快速识别出故障部位； ( 2 ) 通过r e i l h o f e r 系统的客观测试，获取了该型号变速器在台架检测的所有 振动数据，为下一步的故障分析、评价改进效果和故障监控起到了重要 作用； ( 3 ) 通过采用r o m a x 的虚拟建模将齿轮的微几何参数融入计算，通过对目标 微几何参数的随机抽样组合，对传动误差进行分析，完全模拟了在实际 制造误差条件下的实际装配过程，为大批量制造条件下的齿轮优化提供 重要的参考信息。 3 第2 章变速器齿轮噪音机理 第2 章变速器齿轮噪音机理 2 1 变速器结构分析 图2 1 变速器结构 2 2 变速器振动噪音机理 从图2 1 中可以看出，变速器由于不可避免的制造和安装误差，必然会引起 齿轮啮合过程中的振动和冲击，再通过固定在输入和输出轴上的轴承传递到箱 体上。 4 第2 章变速器齿轮噪音机理 变速箱噪声主要由齿轮、箱体，轴承等组成。齿轮啮合过程中的所产生的摩 擦和冲击是齿轮产生振动噪声的主要方面。齿轮噪声可分为结构噪声和空气及液 体动力性噪声【1 6 】。结构噪声是由齿轮啮合过程时产生的冲击和振动引起的：空气 动力性噪声则是由于齿轮和齿轴在旋转过程中，引起周围空气振动而产生的。一 般在高速旋转中才会考虑空气噪声的影响，在低速传动时，可不予考虑。液体运 动噪声是由于齿轮啮合过程中的齿面间的挤压导致润滑油向外喷射，而引起的冲 击波。它与齿轮的旋转速度、齿轮侧隙、齿轮顶隙、变速器的润滑油、润滑油量 大小以及润滑的方式等有直接关系，通常它不是齿轮啮合传动系统噪声的主要来 源。齿轮副啮合的动态激励主要是内部激励，其包含三种形式：刚度激励、误差 激励和啮合冲击激励【1 7 1 1 8 】【1 9 】【2 0 1 。 2 2 1 刚度激励 刚度激励是由于在齿轮的啮合过程中，承担负载的齿数不断变化，而导致的 啮合刚度不断变化，如图2 2 所示， 为一直齿圆柱齿轮啮合图。图中a 点为啮合起始点，依次为b ，c ，d 点为啮合结束点。在啮合区域a b 和c d 中，为双齿啮合区，齿轮啮 合刚度较大，而在b c 区域，则为 单齿啮合区，此时的齿轮啮合刚度较 小。在齿轮的不断旋转过程中，单齿 啮合和双齿啮合不断交替，而引起刚 度的交替变换，称之为刚度激励 21 2 2 2 3 1 2 4 1 。 2 2 2 误差激励 图2 2齿轮啮合图 嘧含托d 璺 在实际的生产制造中，齿轮的制造误差和装配误差是不可避免的。这两种误 差统称为误差激励。由于这些误差的存在，在齿轮的运转过程中导致了齿轮啮 合位置偏离了理论位置，导致了瞬时传动比不断变化和齿轮碰撞冲击，产生了 齿轮啮合冲击力。制造误差的种类很多，其中包括：齿向倾斜偏差、齿向凸度、 5 第2 章变速器齿轮噪音机理 齿廓倾斜偏差、齿廓凸度、挠度、一齿径向总偏差、径向综合总偏差、齿向倾 斜偏差变动量和齿廓倾斜偏差变动量等等。其中齿形和齿距误差影响最大 【2 5 】【2 6 】【2 7 】 2 8 1 【2 9 1 o 2 2 3 啮合冲击激励 如图2 3 所示为齿轮的质量弹簧阻尼系统的动力学模型。由于齿轮误差的 存在，在一对齿轮的啮合过程中，存在啮入冲击和啮出冲击两种。 啮入冲击是指：在齿轮开始啮合过程中，由于齿轮开始的啮合位置偏离了理 论的啮合位置，由于啮合位置偏差，导致了齿轮的啮合冲击，称之为啮入冲击。 啮出冲击是指：在一对齿轮结束啮合的过程中，由于齿轮结束啮合的位置偏 离了理论的结束啮合位置，而产生了由于啮合位置偏差而导致的齿轮啮合冲击， 称之为啮出冲击。 齿轮的啮入冲击和啮出冲击统称为啮合冲击。啮合冲击激励与啮合刚度变化 直接相关，啮合刚度变化越大，冲击激励越大，并由于齿轮的旋转运动而呈现 周期性啮合刚度变化和啮合冲击激励变化。 主动轮 从动轮 图2 3 齿轮传动力学模型 图2 4 中所示为直齿轮啮合刚度曲线，图2 5 为斜齿轮啮合刚度曲线。从 两个谱线的对比可以看出直齿轮的变化很快，易引发冲击而产生除啮合频率之 外的高次谐波。相比较斜齿轮的啮合刚度变化较为平缓，主要产生啮合频率的 6 第2 章变速器齿轮噪音机理 基波成份。在旋转部件的故障诊断中齿轮的啮合阶次具有非常重要的诊断价值。 f 3 0 3l 】【3 2 】【3 3 】 图2 4 直齿轮啮合刚度图 图2 5 斜齿轮啮合刚度图 7 第3 章变速器振动信号处理 第3 章变速器振动信号处理 3 1 振动信号处理技术方法 随着信号诊断技术、处理方法以及计算机技术的发展，人们已经对设备的故 障机理、类型和特征有了深刻的认识。基于振动的信号处理技术也得到了长足 的发展，然而对于旋转机械来说，不同的运转特点，不同的故障部位，不同的 故障机理都有着不同的故障表现和处理方法。 3 1 1 同周期相加平均 对于时域信号来说，不同时刻采集的时域信号由于相位不同的原因是不能平 均的。但对于稳定转速的齿轮箱，如果可以确保对某个轴不同时刻采集的振动 信号在起始点的相位一致，采样频率和采样数一样，对于这样的时域信号可以 通过平均大大提高信噪比，减少和抑制掉干扰信号，从而提取与该轴相关的振 动信号，这种方法被称为同步时域平均，此时的时域信号做出的谱称为同步谱。 在实际的测试分析中，同周期相加平均对单轴上只有一对齿轮啮合的状况下 较为有效，如果轴上有多对啮合齿轮，通过采用时域平均技术是难以分析故障 类型和特点的【3 4 】。 3 1 2 频谱分析技术 频谱分析是现代信号处理技术的最基本和常用的方法之一，在生产和科研中 获得了日益广泛的应用。在齿轮箱状态监视和故障诊断中，通过频谱分析可以 从信号中获得各轴的旋转频率和各个齿轮的啮合频率以及故障轴承的通过频 率，针对于分析和判断变速箱故障位置，故障种类和产生机理提供了十分有效 的工具与手段。在检测过程中，通过相同频率下的振幅变化情况以及是否有新 频率产生，可以分析变速箱的运行状况，是变速箱故障诊断中最重要的信号处 理方法之一。 为了提高频谱的分析精度，常用的措施有多段平均，加窗和离散频谱校正技 术。 多段平均是降噪和求谱均值的一种技术，对于稳态信号，是为了降低信号中 8 第3 章变速器振动信号处理 随机噪声的影响，而对于随机信号，为了求取平均功率谱，需要平均化处理测 试信号中的多个测试段落。 加窗，为了能使计算机对有限的样本进行计算，同时又可以避免由于截断而 引起的能量泄露，频率分辨率降低或振幅降低，一种窗函数营运而生，常用的 窗函数种类有以下几种： 矩形窗( 无窗) ，主要应用于区分频域与振动幅值相近的信号或瞬时信号宽 度小于窗；指数形窗，应用于瞬时信号宽度大于窗； 海宁窗，瞬时信号宽度大于窗的普通目的的应用； 海明窗，用于声音处理； 平顶窗，分析无精确参照物且要求精确测量的信号； k a i s e r b e s s e l 窗，用于区分频率相近而形状不同的信号； 离散频谱校正是针对幅值谱或功率谱的校正方法，目前常用的有四种方法： 离散频谱能量重心校正法，对幅值谱进行校正的比值法，f f t + d f t 谱连续细化 分析傅里叶变换法和相位差法。 3 1 3 倒频谱分析 倒频谱分析又称为二次频谱分析，其实质是对功率谱取对数，然后再进行频 谱分析，得到频谱中的周期成分。针对齿轮箱中的齿轮和滚动轴承出现的调制边 频带，利用倒频谱可以分析出反应故障特征的调制频率，从而诊断故障。 当对多段平均的功率谱取对数后，功率谱中与调制变频带无关的噪声和其他 信号也得到较大的权系数而放大，所以当调制边频的幅值不大或信号中含有较大 噪声时，倒频谱中得到的调制频率的幅值并不明显，这种方法在实际工程运用中 有较大的局限性。 3 1 4 细化谱分析 在语音、振动、噪声等工程信号分析中，为了获得更高的频率分辨率，又要 有较宽的范围，就需要有细化谱分析技术以实现这种分析目的。 工程中应用最为广泛的是选带频谱细化复调制分析方法，又称为频带可选的 频率分析方法，是一种高频率分辨率的傅里叶算法，一般简称为z f f t 方法。 9 第3 章变速器振动信号处理 3 1 5 解调分析 在齿轮箱的故障诊断中，齿轮，滚动轴承或轴发生集中或分析性故障，对其 振动信号进行频谱分析时，频谱图上一般都会出现以齿轮的啮合频率、齿轮的固 有频率或滚动轴承内、外环的固有频率为中心频率，以齿轮所在轴的转频或滚动 轴承通过频率为调制频率的调制边频带。从信号中提取调制信息，分析其强度和 频次就可以判断齿轮箱产生故障的部位和损伤程度，这一分析过程称为解调。它 是齿轮箱故障诊断中广泛使用的一种方法1 3 5 1 。 3 2 阶次分析与典型故障信号特征 3 2 1 阶次分析 变速器是汽车动力传输的重要部件，其齿轮的啮合频率，轴的旋转频率以及 轴承的通过频率均与输入轴的转速有着直接的关系，随着发动机转速的不断变 化，其变速器的相关频率也在不断的变化，如果采用传统的频谱分析技术，势 必会产生频率模糊的现象。为了解决这个问题，一种基于等角度间隔采样的阶 次分析方法应运而生。它可以获得不随转速变化的平稳的振动或噪音信号，以 便利用傅里叶变换进行分析。 阶次分析方法由于是等角度采样，所以非常适用于转速不断变化的旋转机械 的信号诊断，其分析方法主要有两种： 第一种是d i g i t a lo r d e r - t r a c k i n g ( 数字阶次跟踪) ，根据转速同步重采样，较 适合于转速变化缓慢的采样； 另一种是k a l m a nf i l t e r ( 卡尔曼滤波器) ，它是直接由采集得到的时域信号 求解各个阶次的值。其基本原理是：根据转速定义一个正弦比较信号，与真实 测量信号中对应的该频率信号做比较，使用梯度迭代的方法，使两者之间的差 别最小化。其优点是相比数字阶次跟踪法分析时间快，适合于转速快速变化， 信号幅值波动较快，较大的情况。缺点是由于使用的是滤波器的原理，需要设 定带宽，所以对于非主要阶次的信号很容易受到相邻阶次的干扰，所以仅适用 于主要阶次的分析。 1 0 第3 章变速器振动信号处理 3 2 2 典型故障信号特征 变速器的故障有很多种，下面以几个典型症状来加以说明。 3 2 2 1 不平衡机械转动 a n v s 2 f n f o r d e r 图3 1 如图3 1 所示，横轴为频率轴，伍为转轴的转动频率( 阶次) ，纵轴为振幅， 单位为振动加速度。不平衡机械旋转时，将出现以转轴转动频率为主要成分的 异常谱线。 3 2 2 2 偏心的机械转动 a c r n ，s z f n2 x f n f o r d e r 图3 2 图3 2 中的谱线可以看出轴频m 以及他的二次谐波，从信号的特征可以判断 转轴的旋转状况。 3 2 2 3 齿轮啮合故障 图3 3 中出现了齿轮啮合的基波f z 以及它的多次谐波。其中f 1 1 为驱动转速， f h 2 为输出转速，f z 为z 1 的转动频率，通过多次谐波的分析可以看出一对齿轮 1 1 第3 章变速器振动信号处理 的啮合传动特性。 u f n 2 3 2 2 4 齿轮啮合严重故障 气夕 f n 2 a m s 刁j 图3 3 a t m s 刁 f z2 x f z3 x f z4 x f z f o r d e r 】 图3 4 f z2 x f z3 x f z f o r d e r 】 图3 4 中的谱线显示出除了齿轮啮合的基波和多次谐波外，在其左右也出现 了等间隔的边频，通过边频的间距可以推断出出现故障的齿轮位于哪个转动轴 上。举例来说，如果伍1 为输入转速，触为输出转速，其中谱线中的龟必然为 z 1 的啮合频率，如果在基波及其多次谐波中出现的边频间距为输入轴的转动频 率，则可以看出异常部件出现在输入轴端的齿轮，如果出现间距为输出轴的转 频，则异常部件为输出轴端的齿轮。 1 2 第4 章基于r e i l h o f e r 系统的台架检测数据分析 第4 章基于r e i l h o f e r 系统的台架检测数据分析 4 1r e i l h o f e 系统 4 1 1r e i l h o f e r 系统介绍 r e i l l h o f e r 系统是我公司从德国引进的一套先进的测量系统，具有测量速度 快，信号分辨率高，与台架无缝集成，1 0 0 同步测试等特点，在我们的变速器 生产的质量监控中起着非常重要的作用，每台变速器在不同档位下都得到了实 时的监控。 爱欧尔分折仪 结构声信号 转速信号 数字输入 被删产晶 测试结果 嗣釜l 艘 撩动倚感嫠 转遗同步信号 图4 1 r e il h o f e r 测试系统与试验台架的数字输入输出 r e i l h o f e r ( e n d o f - l i n ea n a l y s e r ) 生产线终端质量分析仪的工作原理是：在测 试系统开始使用时，由于系统没有测试数据进行参考，属于自学习阶段。在此 阶段，通过采集较少的检测样本后，系统自动生成参考的振动谱线，通过比较 当前的测试物与生成的参考基准进行判断，该参考线采用“能呼吸的集合”原 理工作，不断的提取相似特征数据进入参考谱线数据库中，同时剔除相似性较 差的数据，使得参考线会随着实际情况缓慢不断变化，它会连续不断、平滑地 改变学习集合，但却不会因此产生相对于正常产品过大的偏差，因为e o l 分析 仪包含有一个绝对上限阀值，它包含有不同批次产品的统计方法，这个绝对阀 值也是无需人工计算自动生成的。e o l 分析仪适用于发动机下线冷试、热试和 变速箱的下线测试。对于变速箱下线测试，具有可分别测试两个齿面( 驱动、反 拖) 的优点，对此测试时间小于1 5 s 。e o l 分析仪既不需要调整也不需要校准， 1 3 第4 章基于r e i l h o f e r 系统的台架检测数据分析 作为市场上唯一知名的系统能够全自动生成用以评价测试物的公差带。 4 1 2r e i l h o f e r 系统原理 变速器的振动主要来源于齿轮啮合，并通过轴承传递到箱体上，如图4 2 所示，r e i l h o f e r 系统通过固定在变速器上的振动加速度传感器实时采集变速器 振动信号，结合实时从台架获取的转速信号，通过f f t 变换及转速同步化过程， 获得阶次谱线【3 6 1 。 o r d e rs p e c t r u m ：v i b r a t i o ns o u r c e si nt r a n s m i s s i o n s 图4 2r e i l h o f e r 系统测试原理 通过在台架对变速器1 0 0 检 测和数理统计，r e i l h o f c r 系统根据 历史加工数据自动产生参考谱线 用来监控当前变速器的振动情况， 进而检测出有异于正常振动的故 障变速器，基本思路如图4 3 所示。 1 4 图4 3r e i l h o f e r 参考线生成原理 第4 章基丁r e i l h o f e r 系统的台架检测数据分析 4 2r e i l h o f e r 在台架上的实际应用 变速器固定在台架上，单向振动加速度传感器通过固定支架固定在变速器 箱体上，通过台架传递给r e i l h o f e r 系统的开始信号，实时开始测量，并在每一 个档位运行结束后，立刻显示测量分析结果，如下图4 4 ，4 5 ，4 6 所示。 其中传感器采用b d一k 襽 秬襽襽 。 5 7 t ，6 一j 一一，再” ， 一= 的? 焉 弦婶 西蹿k 。明即硎 图5 , 8 o k 变速器3 测报告 该款变速箱所有齿轮的齿形齿向检测均由德国w e n z e 轮检测 第5 章齿轮加工数据与分析 数据汇总： 表5 1 f h a c o a s t c a c o a s t f h b c o a s tc b c o a s t 3 档主动齿轮n o k - 1 5680 3 档从动齿轮n o k - 44ll 3 档主动齿轮o k 3o64 3 档从动齿轮o k 7275 通过对上述两套齿轮的齿形齿向检测和数据汇总，发现齿廓倾斜偏差不合 格状态与合格状态存在较为明显的差异( n o k ：1 5 一；o k ：3 7 ) ，齿廓凸度 和齿向凸度也同时存在差异。 为了从更长的周期发现齿轮的加工状态的差异，接下来对齿轮的历史加工 数据( 齿廓倾斜偏差，齿廓凸度，齿向倾斜偏差，齿向凸度) 进行更全面的分 析，通过逐月的各个参数的数据对比来发现参数的差异。 5 3 齿轮历史数据 5 3 1 齿廓倾斜偏差热前与热后 如图5 9 所示为齿廓倾斜偏差热处理前和热处理后的逐月统计数据。 第5 章齿轮加1 ：数据与分析 图5 93 档主动齿轮齿廓倾斜偏差逐月统计分布图 5 3 2 齿廓凸度热前与热后 2 7 第s 章齿轮加工数据与分析 如图5 1 0 所示为齿廓凸度的热处理前和热处理后的逐月统计数据。 图5 1 03 档主动齿轮齿廓凸度逐月统计分布图 第5 章齿轮加工数据与分析 5 3 3 齿向倾斜偏差热前与热后 图5 1 13 档主动齿轮齿向倾斜偏差逐月统计分布图 2 9 第5 章齿轮加工数据与分析 5 3 4 齿向凸度热前与热后 如图5 1 2 所示齿向凸度热处理前和热处理后的逐月统计数据。 图5 1 23 档主动齿轮齿向凸度逐月统计分布图 3 0 第5 章齿轮加j i ：数据与分析 5 4 总结 通过对齿轮制造数据的统计分析( 齿廓倾斜偏差，齿廓凸度，齿向倾斜偏差， 齿向凸度) 对比，发现以下几个方面的特点： 1 通过对齿廓倾斜偏差，齿廓凸度，齿向倾斜偏差的热处理前、后的变化对 比，可以发现其热前热后存在着显著的线性变化趋势； 2 从齿廓倾斜偏差，齿廓凸度，齿向倾斜偏差，齿向凸度的热处理后的数据 对比来看，发现2 0 1 0 年6 月份的齿轮加工中的齿廓凸度的检测数据较其他月份 存在着明显的差异； 结合r e i l h o f c r 系统在台架检测的逐月数据( 见图4 1 1 ) 分析来看，2 0 1 0 年6 月份的变速器在3 档c o a s t 的啮合阶次的振动值较其他月份有明显降低。同时结 合齿轮检测的历史数据来看。该月份的3 档主动齿轮的齿廓凸度也较其他月份 存在较明显的差异。 下一步，将通过r o m a x 分析软件进行计算机仿真分析，对此状态进行传动 误差的分析和计算，以进一步验证和为优化齿形齿向提供改进建议，来达到改 进变速器在该档位下的噪音。 3 l 第6 章基于r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 第6 章基于r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 6 1r o m a x 软件介绍 r o m a xd e s i g n e r 功能介绍： r o m a x 是一家集软件工具开发和传动项目咨询为一体的公司，在传动领域有 超过十二年以上的经验；总部设在英国，在欧洲、美国、日本、韩国、澳洲、印 度等均开办有办事处。由r o m a x 公司积累多年经验开发的r o m a xd e s i g n e r 主要 应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析，在传动系统设计领域享有盛誉，目 前已成为齿轮传动领域事实的行业标准。 r o m a x 用来建立齿轮传动系统虚拟样机模型，还包括详细部件强度和可靠性 分析，及传动系统振动噪声分析，大大加速传动系统的设计和开发流程。在r o m a x 中，考虑结构柔性，同时考虑更多实际情况，如装配误差及轴承间隙、预载等。 r o m a x d e s i g n e r 应用很广，其中包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、工业、 轴承以及航空航天等领域的齿轮传动系统的设计。 r o m a x 虚拟原型仿真工具模块： r o m a xd e s i g n e r ：用于完成齿轮传动系统的设计分析，包括平行轴传动系、 相交轴传动系、行星齿轮传动系的完整解决方案以及轴承、系统振动噪声分析等 高级分析功能。 r o m a xd y n a m i c s ：可作为r o m a x d e s i g n e r 的部分或作为单独模块，完成传动 系统的动力学分析，计算临界速度谱、阻尼固有频率谱、非平衡响应分析等内容。 s y n c h r o n i z e rs i m u l a t i o n ：预估同步器尺寸，计算轴的轴向振动，完成同步器 瞬态过程的详细分析；齿轮剃、铣、修形等制造过程中动力学仿真和结构优化工 作，以控制齿形加工质量和提高刀具寿命； 可快速建立轴、齿轮全部传动系统的虚拟模型 详细的零件强度与可靠性 传动系统整体的振动噪声分析( n v h ) 用于鲁棒性的结构优化分析 r o m a x d e s i g n e r 覆盖了从概念设计，零件强度与可靠性分析等概念和详细设 计，到齿轮传动系统的振动分析与噪声( n 、，h ) 预估等全部传动系统的设计内 3 2 第6 章基丁r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 容，并包括了平行轴系结构、相交轴系结构及行星齿轮轴系传动等多种齿轮轴 系传动系统模型的构建、分析和优化，为齿轮传动系统设计提供了完整的求解 环境【3 7 】。 6 2r o m x 模型 图6 ir o m a x 变速箱模型 6 3r o m a x 传动误差分析 通过r o m a x 建立变速器齿轮传动系统模型，并通过m i c r o g e o m e t r y 模块功 能，对齿轮包括齿廓倾斜偏差，齿廓凸度，齿向倾斜偏差，齿向凸度进行详细 建模。建立变速器在不同扭矩条件下的加载事件，通过传动误差分析中的 m o n t e c a r l o 功能，对设定的齿形齿向误差在预期的公差范围内，进行传递误差 的分析计算。基于统计原理，随机产生需要的样本数( 如5 0 0 ) ，自动地对5 0 0 个样本进行计算，最终获得在生产条件下的整体误差分布，为齿形齿向优化提 供了有力的分析工具。 下面将对3 档c o a s t 问题进行详细的齿形齿向建模和传递误差分析。 3 3 第6 章基于r o e i 协x 的齿轮啮合传动误差分析 6 3 1 未进行优化的齿形齿向t o p o l o g y 图 下图为3 档c o a s t 条件下的初始3 档主动齿轮与3 档从动齿轮的齿面t o p o l o g y 图，如图6 2 ，6 3 所示。图中，f a c ed i s t a n c e 为齿宽方向，r o l l a n g e l 为齿廓方向， 纵轴r e l i e f 为齿面的修行。 图6 2 二档土动齿轮初始t o p o l o g y 图 图6 3三档从动齿轮初始t o p o l o g y 图 6 3 2 优化后的齿形齿向t o p o l o g y 圈 下图为3 档c o a s t 条件下优化后的3 档主动齿轮与3 档从动齿轮的齿面 t o p o l o g y 图，如图6 4 ，6 5 所示。 图6 4 三档主动齿轮优化t o p o l o 科图 图6 5 三档从动齿轮优化t 0 p 0 i o 鲥图 第6 章基于r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 通过以上优化前和优化后的齿面拓扑图的分析对比，可以看出齿面的修形变 化。 6 3 3 不同扭矩条件下的传动误差对比 为了进一步验证优化设计在不同扭矩条件下的传动误差，同时也为了能够完 全仿真真实的制造和装配环境，应用蒙特卡罗方法对不同扭矩条件下进行传动 误差的分析计算。 蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l om e t h o d ) ，也称统计模拟方法，是二十世纪四十 年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统 计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法，是指使用随机数( 或更常见的 伪随机数) 来解决很多计算问题的方法。本文通过r o m a x 系统中的参数优化模 块，对在不同扭矩条件下的齿形齿向误差应用m o n t e c a r l o 方法进行传动误差分 析，结果如下所示。 图6 62 0 n m 加载条件下。优化前后传动误差对比 3 5 第6 章基于r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 图6 74 0 n m 加载条件下，优化前后传动误差对比 图6 86 0 n m 加载条件下，优化前后传动误差对比 第6 章基于r o m a x 的齿轮啮合传动误差分析 图6 9s o n m 加载条件下，优化前后传动误差对比 结论： 通过在2 0 n m 、4 0 n m 、6 0 n m 、8 0 n m 扭矩条件下，应用m o n t e c a r l o 方法 计算传动误差，发现对于2 0 n m 和4 0 n m 条件下，优化前后，传动误差没有显 著的差异。而在6 0 n m 和8 0 n m 扭矩条件下，优化后的齿形齿向的传动误差较 初始状态有了较大的改善。接下来根据建议的优化参数开始零件的加工，以验 证实际的改善效果。 3 7 第7 章效果验证与整车测试 第7 章效果验证与整车测试 7 1r e i l h o f e r 系统测试对比 下图7 1 为r e i l h o f e r 系统针对齿形参数改进前后的3 档c o a s t 2 9 阶逐月振动 振幅的数据统计。从图中可以看出，优化参数实施后的2 0 11 年1 月和2 月间生 产的变速器在台架中的振动值较优化前有了较明显的降低，平均值达到了1 0 0 0 左右，而且振幅的变化范围也显著缩小了。 通过采用制造数据分析和r o m a x 的传动误差分析得出的优化建仪实施后的 两个月，变速器在台架上的振动测试结果明显降低，看以看出优化参数有有效 的和稳定的。 图7 1 变速箱3 档啮合阶振动能量分布 3 8 第7 章效果验证与整车测试 7 2 整车测试对比 7 2 1h e a da c o u s t i c 系统介绍 7 2 2 整车测试与对比 7 2 2 1h e a da c o u s t i c 整车测试位置 通过之前的台架测试数据分析，看到优化后的参数对变速器的振动起到了很 好的改善作用。 为了进一步评价改进后变速器对于整车振动和驾驶室噪音改善效果，进行整 车的振动和噪音测试对比。 如图7 2 所示，将三向振动加速度传感器固定于变速器与整车的连接支架 上，测试整车条件下的变速器振动，以及通过驾驶员头戴式麦克风测量驾驶室 内的噪音，来评价变速器的振动、噪音改进情况。 图7 2h e a da c o u s t i c 传感器在整车测试位置 3 9 第7 章效果验证与整车测试 7 2 2 2 整车测试结果 测试结果如图7 3 ，7 4 所示，为改进前后变速器在整车的振动和噪音对比。 图中a 1 0 为初始状态变速器的振动和噪音瀑布图，其中左边d l e 图显示的是驾 驶室的噪音声压级，右边b r a c k e t y 和b r a c k e t z 显示的是固定在变速器上的振动 加速度传感器采集的y 和z 方向的振动瀑布图。 从两个振动瀑布图中看到各有一条清晰明亮的黄线，该线频率随转速( x 轴) 降低而降低，根据发动机的转速以及对应的亮线的频率，可以计算得出这条明 亮的黄线反映着3 档齿轮的啮合阶次，其亮度反应着振动的强弱。左边d l e 瀑 布图也反映出了相同的特点。 a 1 l 为优化后的变速器振动和噪音瀑布图，从振动和噪音的测试数据对比， 可以发现啮合阶次的亮线显著变弱，相比优化之前的状态有了明显的改善。 图7 3 改进前整车振动测试 图7 4 改进后整车振动测试 7 3 总结 通过制造数据分析、r o m a x 的传动误差分析、r e i l h o f e r 分析仪在线监控以及 整车的振动噪音对比，可以发现优化后的齿形齿向进一步降低了变速器在该档 位的振动和整车的啸叫，提高了变速器的质量。 4 0 第8 章总结与展望 第8 章总结与展望 8 1 总结 汽车制造业是我国国民经济发展的支柱产业，随着汽车的普及，人们对汽车 的认识越来越深，对汽车的使用性能也提出了越来越高的要求。作为评价汽车 性能的重要指标之一的噪声也越来越多的成为人们关注的焦点。各大汽车厂商 纷纷努力将噪音控制在最小状态，努力提供一个安静舒适的驾驶环境。汽车变 速箱做为汽车动力系统的主要部件，其承担着从发动机到整车的动力传输，可 同时也在产生着噪音。如何降低变速器噪音便成为整车厂或是变速器企业首要 考虑的问题之一。 针对这个问题，本文中介绍了r e i l h o f e r 系统在台架中的应用，从根本上解 决了过去台架检测只能通过人以及通过分贝仪来进行检测，无法对具体的旋转 部件进行监控的问题，同时通过对检测的历史数据的分析，来发现进一步改进 的方向。 通过对齿轮加工数据的分析，提出了尝试的优化建议。结合r o m a x 变速箱 分析软件，对优化的齿形齿向进行模拟生产条件下的传递误差分析，根据不同 扭矩条件下的传递误差来分析改进的效果。 最后通过台架的检测和整车检测来进一步的验证优化后的实际改进效果，通 过比较，优化后的齿形齿向进一步降低了传动误差，改善了变速器的噪音。 8 2 展望 变速器噪音的影响因素非常多，本例中仅研究了齿轮的啮合阶次的噪音改 善，如果能够建立包括变速器箱体在内的模型，应用有限元技术研究变速器振 动与噪音，将给变速器噪音的改善提供有力的工具。 本文介绍了一种改善齿轮啮合传动误差的方法，由于作者水平有限，加之时 间仓促，文中难免有错误和不足之处，恳请批评指正。 4 1 致谢 致谢 在论文的准备和课题的整个进行中，得到了我的导师毛志伟副教授、罗锡坤 高级工程师的悉心指导，在导师的指点和导引下，我进一步加深了对有关专业 知识的理解，不但顺利的完成了课题和论文，而且通过课题的研究，迸一步提 高了自己解决问题的能力导师丰富的专业知识、实践经验、严谨的科学态度 和工作作风，给我留下了深刻的印象，并让我受益终生。 衷心感谢在整个课题研究中