為卡車及全輪驅(qū)動機(jī)車驅(qū)動管路與變速器減噪減震的技術(shù)

1、為卡車及全輪驅(qū)動機(jī)車驅(qū)動管路與變速器減噪減震的技術(shù)方法Stephen P.Radzevich地址：（略）傳真：248/776-5702 E-mail: sp_radzevich摘要：本文旨在解決如何為卡車及全輪驅(qū)動機(jī)車的驅(qū)動管路和變速器減震減噪這一問題。傳統(tǒng)的方法是調(diào)整齒輪的微觀幾何參數(shù)，以適應(yīng)齒輪排列不齊的情況并使卡車變速器的傳動故障最小化。本文討論了幾種調(diào)整齒面的可行的方法。如果設(shè)計合理，輪齒的拓?fù)湔{(diào)整能使傳動故障減少一半，從而相應(yīng)地減輕卡車驅(qū)動管路與變速器的噪音和震動。本文提出了一種先進(jìn)的齒面拓?fù)湔藜夹g(shù)，可用于機(jī)車的減震減噪設(shè)計。關(guān)鍵詞：卡車，全輪驅(qū)動機(jī)車，驅(qū)動管路，變速器，齒輪噪音，

2、震動。如引用本文，請標(biāo)明：Radzevich,S.P.(2006)Technological methods for noise/vibration reduction in driveline/transmission of trucks amd all-wheel-drive vehicles, Int. J. Vehicle Noise and Vibration, Vol.2,No.4, pp.283-291.作者簡介：Stephen P.Radzevich是機(jī)械工程學(xué)與制造工程學(xué)教授。他曾在機(jī)械工程領(lǐng)域獲得以下學(xué)位：理科碩士（1976年），哲學(xué)博士（1982年）和理科博士（英國，19

3、91年）。他在齒輪設(shè)計和制作領(lǐng)域有極其豐富的經(jīng)驗，并用了30余年的時間致力于齒輪優(yōu)化的硬件、軟件和工藝開發(fā)。除在工廠工作以外，他還在大學(xué)教授工程學(xué)的課程，并為公司培訓(xùn)齒輪設(shè)計工程師。他編寫與合著了28部專著和250多篇科技論文，在該領(lǐng)域持有150多項專利。1、引言 由卡車和全輪驅(qū)動機(jī)車的驅(qū)動管路和變速器產(chǎn)生的噪音和震動一直是很棘手的問題。這個問題現(xiàn)在加劇了，因為人們一直著手于減輕其他噪音源（如引擎）的聲音。齒輪噪音與震動是由多種因素引起的，包括：傳動故障、輪齒碰撞、噬合彈性勁度變化、力軸往返運(yùn)動、摩擦和空氣與潤滑油作用；而這些因素都是可以避免的。傳動故障是產(chǎn)生齒輪噪音的最主要的因素。傳統(tǒng)解決方

4、法是調(diào)整齒面，使其適應(yīng)齒輪排列不齊的情況并使傳動故障最小化。遺憾的是，這種做法很耗費(fèi)人力物力。因此，我們需要開發(fā)一種有效的技術(shù)方法，對預(yù)先設(shè)計的齒面進(jìn)行修整。為了滿足汽車工業(yè)大批量生產(chǎn)齒輪的需要，應(yīng)用翻孔修整加工方法和修整切割機(jī)也許是可行的。2、文獻(xiàn)綜述:目前存在的問題 減輕齒輪的噪音和震動是復(fù)雜的工程學(xué)問題，其中包含了大量極其重要的因素。這些因素有些與齒面修整優(yōu)化直接相關(guān)，在這里將做簡要的敘述。 2.1 齒面修整的種類 齒輪工程師和研究工作者們提出了許多種修整齒面的方案。很多人，比如Radzevich(2004)和其他學(xué)者提出，可以采取以下的方法：進(jìn)行凸面鉛加工、齒形調(diào)整、凸面加工與齒形調(diào)整

5、相結(jié)合、用3D齒面調(diào)整使齒面光滑規(guī)則與調(diào)整咬合方向（交聯(lián)調(diào)整）等。也有許多研究致力于齒拋物面調(diào)整與輪齒拓?fù)湔{(diào)整（Winter & Stolzie, 1989）。齒面調(diào)整可以使輪齒始終以中央部分相接觸，避免因輪齒咬偏而造成的負(fù)載能力低下；同時能提高齒輪序列對排列不齊的耐受性，保持中央接觸。 2.2 齒面調(diào)整對機(jī)車驅(qū)動管路與變速器噪音的影響 不同的領(lǐng)域?qū)τ谠胍舫潭扔胁煌囊?。Hoppe和Pinnekamp（2004）的論文就以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪傳動和軍艦應(yīng)用為例闡述了二者對于減輕噪音要求以及解決辦法。本文也舉例說明了車間和實(shí)地測試的要求與測量結(jié)果，并把它們與齒輪的微觀幾何參數(shù)和計算結(jié)果做了比較。

6、盡管生產(chǎn)中對輪齒進(jìn)行負(fù)載和壓力優(yōu)化是很平常的事情，但要進(jìn)行減震減噪優(yōu)化則需要更高的生產(chǎn)精確度與更復(fù)雜的修整工藝，遠(yuǎn)不止凸面加工或是齒尖齒根減壓那么簡單（Geiser, 2004）。用拓?fù)湫拚麃頌辇X輪減震減壓的優(yōu)勢在于，它能使齒輪接觸類型更加多樣化。 Beghini(2004a)提出了一種簡單的方法，以微小的轉(zhuǎn)矩，通過調(diào)整齒形參數(shù)來達(dá)到減少正齒輪組傳動故障的目的。這種方法需要用先進(jìn)軟件進(jìn)行迭代仿真工作。 齒輪在負(fù)載情況下旋轉(zhuǎn)，在齒輪間會產(chǎn)生齒輪噬合頻率及其諧波的動載荷（Talbert,2004）。而動載荷則會在齒輪中產(chǎn)生傳導(dǎo)性的波形震動。 齒輪噪音這一問題現(xiàn)在加劇了（Houser等，2004），

7、因為人們一直著手于減輕其他噪音源（比如發(fā)動機(jī)、引擎和擋泥板）的聲音。為了控制齒輪噪音，我們既要選擇合適的齒輪設(shè)計方案，又要選擇相應(yīng)的齒形調(diào)整工藝來優(yōu)化該設(shè)計方案。 齒輪設(shè)計流程以迭代法為基礎(chǔ)，后者使用基本公式來預(yù)計壓力（Houser，2002）。齒尖減壓與凸面鉛加工之類的修整以操作者經(jīng)驗為基礎(chǔ)，在考慮設(shè)計流程之后才會進(jìn)行修整方法的選擇。 我們要修整平行軸齒輪（比如正齒輪和斜齒輪），使其能夠組成噪音更小、運(yùn)行更順暢、負(fù)載荷均勻分布的齒輪組（Jules，1993）。本文對齒輪運(yùn)行模式進(jìn)行了有限元分析，以此繪制了一張圖表，以說明齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中載荷時產(chǎn)生的齒輪與齒面半徑和切線的撓曲度。 齒輪噪音的來源是

8、通過支撐軸與軸承，傳送到齒輪殼體的齒輪咬合動態(tài)力（Houser與Harianto，2005）。盡管噪音在本質(zhì)上是動態(tài)的，我們在這里將它按照靜態(tài)計量，這樣設(shè)計者就能在設(shè)計階段將噪音源減少了。 本研究的目的是提出一種簡單的方法，以微小的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行齒形調(diào)整，解決傳動震蕩總振幅故障，這種故障就是正齒輪噪音的元兇。研究采用了半解析與FEM軟件進(jìn)行噬合模擬。低接觸齒輪與高接觸齒輪是分別討論的。 使用預(yù)先設(shè)計的傳動故障函數(shù)，能夠?qū)⒂捎邶X輪對準(zhǔn)不齊產(chǎn)生的準(zhǔn)線性非連續(xù)的傳動故障函數(shù)合并。這是減少齒輪裝置噪音與震動的關(guān)鍵所在。 2.3 為預(yù)先設(shè)計過的齒面進(jìn)行齒形修整的技術(shù)方法 1954年，Kawasaki提出了一種

9、齒形加工方案，能夠增強(qiáng)減速器的負(fù)載能力并減輕噪音（Kawasaki，2000）。1990年，Kawasaki又引進(jìn)了第一臺超精準(zhǔn)數(shù)控工具磨削機(jī)。當(dāng)然，卡車和全輪驅(qū)動機(jī)車的驅(qū)動管路和變速器產(chǎn)生的噪音還受許多其他因素的影響。就目前的問題而言，我們需要開發(fā)一種行之有效的技術(shù)方法，為預(yù)先設(shè)計過的齒面進(jìn)行齒形修整，并且能夠大批量生產(chǎn)，滿足為卡車和全輪驅(qū)動機(jī)車的驅(qū)動管路和變速器減震減噪的需要。因此，我們必須對關(guān)于漸開線圓柱斜齒齒輪的一些權(quán)威的見解予以重新考慮。通過上面的論述，我們也能知道，為什么要對輪齒進(jìn)行修整。我們需要對齒面進(jìn)行凸面加工來減少傳動故障與齒面間接觸變化的影響，還需要開發(fā)一種齒形修整技術(shù)，調(diào)

10、整漸開線螺紋齒輪齒面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少其對于齒輪對齊不良狀況的敏感度。3、齒面修整技術(shù)的比較 在開發(fā)為卡車和全輪驅(qū)動機(jī)車的驅(qū)動管路與變速器減震減噪的技術(shù)之前，我們需要區(qū)別幾種常用的齒形修整方法。 在文獻(xiàn)綜述（第二部分）里，我們提到，為了減震減噪，有兩種齒形修整技術(shù)是可行的： 預(yù)設(shè)計拋物面修整 拓?fù)潺X面修整。 3.1 對于預(yù)設(shè)計拋物面齒形修整的可能性評述 許多資料里都提到過，如果齒面設(shè)計合理，拋物面齒形修整能夠使傳動故障減少一半，而相應(yīng)地，噪音也會減輕。據(jù)本文作者所知，這個結(jié)論是建立在TCA軟件產(chǎn)生的齒輪噬合模型的基礎(chǔ)上的。遺憾的是，作者并未找到能夠證明拋物面修整有效性的可靠證據(jù)，無論是實(shí)驗上的還

11、是應(yīng)用上的。 為讀者考慮，我們先為齒面拓?fù)湔{(diào)整的有效性做一個簡略的解釋。 根據(jù)Litvin和Fuentes（2004）的論述，理想齒輪序列的傳動故障是線性的，可用表示。N1和N2代表齒輪的齒數(shù)，和代表齒輪的旋轉(zhuǎn)角度。因為存在齒輪排列不齊的情況，傳動函數(shù)便隨一組輪齒的噬合周期Cm變成分段準(zhǔn)線性的（如圖1（a）。由于在周期匯合處角速度會猛增，加速度便會接近一個不確定的很大的值。這樣便產(chǎn)生了強(qiáng)烈的震動。如果應(yīng)用預(yù)先設(shè)計的傳動故障函數(shù)，此齒輪傳動函數(shù)便是理想的線性函數(shù)與拋物面函數(shù)的總和。圖1（b）是一個傳動函數(shù)的例子。傳動函數(shù)的力矩理論上的與預(yù)先設(shè)計的在中間的接觸點(diǎn)上是相切的，并在此點(diǎn)上有相同的導(dǎo)數(shù)m

12、21。 傳動函數(shù)的得到了公認(rèn)。只要這個函數(shù)應(yīng)用于基本的接觸率為1（）的齒輪序列（即副齒輪與齒輪組合），人們對它就沒有任何異議。但是，實(shí)際的接觸率是大于1的（）。這就導(dǎo)致了在齒輪咬合的某些時候，不是一組，而是兩組輪齒同時接觸。概括地說，相接觸的輪齒不同，其傳動故障的分段線性函數(shù)也不同。第i對輪齒的咬合周期會因為以某個確定的距離隨先前或者隨后的咬合周期的變化而變化。的實(shí)際值由接觸率的實(shí)際值決定。由傳動函數(shù)和產(chǎn)生結(jié)果接觸率大于1（）的基本齒輪序列的傳動函數(shù)。同樣地，這個作為結(jié)果的傳動函數(shù)可以適用于任何接觸率的實(shí)際值大于2（）的情況。 圖2表明，在的情況下，做為結(jié)果的傳動函數(shù)與人們通常分析的結(jié)果（Li

13、tivin和Fuentes，2004）有很大的不同，而且，用Litivin和Fuentes（2004）推薦的方法并不能把這個函數(shù)與預(yù)設(shè)計拋物面齒形修整相合并。在齒輪和副齒輪齒數(shù)N1和N2沒有公乘數(shù)的時候這個情況變得更加明顯。 3.2 對于拓?fù)潺X面修整的潛力的評述拓?fù)潺X面修整的最佳參數(shù)值通常是由實(shí)驗來決定的。因此，經(jīng)過修整的齒輪的形狀不應(yīng)太特殊，而且在特定的運(yùn)轉(zhuǎn)情況之下，能夠最大化地減輕噪音與震動。除了拓?fù)潺X面修整以外，還可以選用預(yù)設(shè)計拋物齒面調(diào)整的方法（此種方法對于齒輪的公乘數(shù)比較敏感）。但是從實(shí)際出發(fā)，比起后者前者更能有效地減輕噪音與震動。 當(dāng)然，在理想的情況下，預(yù)設(shè)計齒面修整能夠在一點(diǎn)A將

14、加速度降低到可能的最低水平（如圖1（b）。這意味著應(yīng)當(dāng)盡可能地把傳動函數(shù)偏差降低到最小，而角的偏差也需要降低到最小。 初步結(jié)論，研究結(jié)果表明，從減輕噪音與震動的角度來看，拓?fù)潺X面修整比拋物面齒面修整更有優(yōu)勢。 因此，下面我們將提出一種對拓?fù)潺X面進(jìn)行精準(zhǔn)加工的方法，以減輕驅(qū)動管路與變速器的噪音和震動。除此之外，這種齒面加工方法也能應(yīng)用于預(yù)設(shè)計的拋物齒面加工。4、拓?fù)潺X面翻孔加工的性能 在汽車工業(yè)中，有許多種對齒輪進(jìn)行精準(zhǔn)加工的方法（Radzevich，2003，2004a，2004c，2005b）。已經(jīng)證實(shí)，翻孔加工最能滿足汽車齒輪批量生產(chǎn)的需要（Radzevich，2003，2004a，200

15、4c，2005b）。 在翻孔加工的過程中，齒輪加工由加工切削機(jī)來完成（圖4）。機(jī)件和切削機(jī)以角速度和同時圍繞軸和軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和要恰當(dāng)，即，Nc和Np分別代表齒輪和切削機(jī)的輪齒個數(shù)。切削工具在軸和軸之間以最短接觸距離裝置在機(jī)件上方?，F(xiàn)在，所有中等規(guī)模和大規(guī)模生產(chǎn)的齒輪都是翻孔加工的，因為這種加工方法很節(jié)省時間。用斜桿加工方法來加工一個汽車齒輪箱大約要用1分鐘，而用翻孔加工則只需要10秒甚至更少的時間（Radzevich，2003，2005b）。因為周期短，所以生產(chǎn)效率高。 作者早先的研究表明，翻孔加工出來的齒輪，與要求的規(guī)格相比，其偏差不超過1微米（圖5）。5、結(jié)論 本論文討論了幾種不同的齒面修整方法，也分析了接觸率