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

1、為卡車及全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)管路和變速器減震減噪這一問(wèn)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(dòng)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(jì)合理，輪齒的拓?fù)湔{(diào)整能使傳動(dòng)故障減少一半，從而相應(yīng)地減輕卡車驅(qū)動(dòng)管路與變速器的噪音和震動(dòng)。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(jì)。關(guān)鍵詞：卡車，全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)車，驅(qū)動(dòng)管路，變速器，齒輪噪音，

2、震動(dòng)。如引用本文，請(qǐng)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(jiǎn)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(guó)，19

3、91年）。他在齒輪設(shè)計(jì)和制作領(lǐng)域有極其豐富的經(jīng)驗(yàn)，并用了30余年的時(shí)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(jì)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(xiàng)專利。1、引言 由卡車和全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)管路和變速器產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)一直是很棘手的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在加劇了，因?yàn)槿藗円恢敝钟跍p輕其他噪音源（如引擎）的聲音。齒輪噪音與震動(dòng)是由多種因素引起的，包括：傳動(dòng)故障、輪齒碰撞、噬合彈性勁度變化、力軸往返運(yùn)動(dòng)、摩擦和空氣與潤(rùn)滑油作用；而這些因素都是可以避免的。傳動(dòng)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(dòng)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(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)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(wèn)題 減輕齒輪的噪音和震動(dòng)是復(fù)雜的工程學(xué)問(wèn)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(jiǎn)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(shí)能提高齒輪序列對(duì)排列不齊的耐受性，保持中央接觸。 2.2 齒面調(diào)整對(duì)機(jī)車驅(qū)動(dòng)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(dòng)和軍艦應(yīng)用為例闡述了二者對(duì)于減輕噪音要求以及解決辦法。本文也舉例說(shuō)明了車間和實(shí)地測(cè)試的要求與測(cè)量結(jié)果，并把它們與齒輪的微觀幾何參數(shù)和計(jì)算結(jié)果做了比較。

6、盡管生產(chǎn)中對(duì)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(jiǎn)單（Geiser, 2004）。用拓?fù)湫拚麃?lái)為齒輪減震減壓的優(yōu)勢(shì)在于，它能使齒輪接觸類型更加多樣化。 Beghini(2004a)提出了一種簡(jiǎn)單的方法，以微小的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)調(diào)整齒形參數(shù)來(lái)達(dá)到減少正齒輪組傳動(dòng)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(huì)產(chǎn)生齒輪噬合頻率及其諧波的動(dòng)載荷（Talbert,2004）。而動(dòng)載荷則會(huì)在齒輪中產(chǎn)生傳導(dǎo)性的波形震動(dòng)。 齒輪噪音這一問(wèn)題現(xiàn)在加劇了（Houser等，2004），

7、因?yàn)槿藗円恢敝钟跍p輕其他噪音源（比如發(fā)動(dòng)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(jì)方案，又要選擇相應(yīng)的齒形調(diào)整工藝來(lái)優(yōu)化該設(shè)計(jì)方案。 齒輪設(shè)計(jì)流程以迭代法為基礎(chǔ)，后者使用基本公式來(lái)預(yù)計(jì)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(yàn)為基礎(chǔ)，在考慮設(shè)計(jì)流程之后才會(huì)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(duì)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(shuō)明齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中載荷時(shí)產(chǎn)生的齒輪與齒面半徑和切線的撓曲度。 齒輪噪音的來(lái)源是

8、通過(guò)支撐軸與軸承，傳送到齒輪殼體的齒輪咬合動(dòng)態(tài)力（Houser與Harianto，2005）。盡管噪音在本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，我們?cè)谶@里將它按照靜態(tài)計(jì)量，這樣設(shè)計(jì)者就能在設(shè)計(jì)階段將噪音源減少了。 本研究的目的是提出一種簡(jiǎn)單的方法，以微小的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行齒形調(diào)整，解決傳動(dòng)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(jì)的傳動(dòng)故障函數(shù)，能夠?qū)⒂捎邶X輪對(duì)準(zhǔn)不齊產(chǎn)生的準(zhǔn)線性非連續(xù)的傳動(dòng)故障函數(shù)合并。這是減少齒輪裝置噪音與震動(dòng)的關(guān)鍵所在。 2.3 為預(yù)先設(shè)計(jì)過(guò)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(tái)超精準(zhǔn)數(shù)控工具磨削機(jī)。當(dāng)然，卡車和全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)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(wèn)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(jì)過(guò)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(dòng)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)管路和變速器減震減噪的需要。因此，我們必須對(duì)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(guò)上面的論述，我們也能知道，為什么要對(duì)輪齒進(jìn)行修整。我們需要對(duì)齒面進(jìn)行凸面加工來(lái)減少傳動(dòng)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(duì)于齒輪對(duì)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(dòng)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)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(jì)拋物面修整 拓?fù)潺X面修整。 3.1 對(duì)于預(yù)設(shè)計(jì)拋物面齒形修整的可能性評(píng)述 許多資料里都提到過(guò)，如果齒面設(shè)計(jì)合理，拋物面齒形修整能夠使傳動(dòng)故障減少一半，而相應(yīng)地，噪音也會(huì)減輕。據(jù)本文作者所知，這個(gè)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(wú)論是實(shí)驗(yàn)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(gè)簡(jiǎn)略的解釋。 根據(jù)Litvin和Fuentes（2004）的論述，理想齒輪序列的傳動(dòng)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?yàn)榇嬖邶X輪排列不齊的情況，傳動(dòng)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(huì)猛增，加速度便會(huì)接近一個(gè)不確定的很大的值。這樣便產(chǎn)生了強(qiáng)烈的震動(dòng)。如果應(yīng)用預(yù)先設(shè)計(jì)的傳動(dòng)故障函數(shù)，此齒輪傳動(dòng)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(gè)傳動(dòng)函數(shù)的例子。傳動(dòng)函數(shù)的力矩理論上的與預(yù)先設(shè)計(jì)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(dòng)函數(shù)的得到了公認(rèn)。只要這個(gè)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(duì)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(shí)候，不是一組，而是兩組輪齒同時(shí)接觸。概括地說(shuō)，相接觸的輪齒不同，其傳動(dòng)故障的分段線性函數(shù)也不同。第i對(duì)輪齒的咬合周期會(huì)因?yàn)橐阅硞€(gè)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(dòng)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(dòng)函數(shù)。同樣地，這個(gè)作為結(jié)果的傳動(dòng)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(dòng)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(gè)函數(shù)與預(yù)設(shè)計(jì)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(shí)候這個(gè)情況變得更加明顯。 3.2 對(duì)于拓?fù)潺X面修整的潛力的評(píng)述拓?fù)潺X面修整的最佳參數(shù)值通常是由實(shí)驗(yàn)來(lái)決定的。因此，經(jīng)過(guò)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(dòng)。除了拓?fù)潺X面修整以外，還可以選用預(yù)設(shè)計(jì)拋物齒面調(diào)整的方法（此種方法對(duì)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(dòng)。 當(dāng)然，在理想的情況下，預(yù)設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)的角度來(lái)看，拓?fù)潺X面修整比拋物面齒面修整更有優(yōu)勢(shì)。 因此，下面我們將提出一種對(duì)拓?fù)潺X面進(jìn)行精準(zhǔn)加工的方法，以減輕驅(qū)動(dòng)管路與變速器的噪音和震動(dòng)。除此之外，這種齒面加工方法也能應(yīng)用于預(yù)設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)程中，齒輪加工由加工切削機(jī)來(lái)完成（圖4）。機(jī)件和切削機(jī)以角速度和同時(shí)圍繞軸和軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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?yàn)檫@種加工方法很節(jié)省時(shí)間。用斜桿加工方法來(lái)加工一個(gè)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(shí)間（Radzevich，2003，2005b）。因?yàn)橹芷诙?，所以生產(chǎn)效率高。 作者早先的研究表明，翻孔加工出來(lái)的齒輪，與要求的規(guī)格相比，其偏差不超過(guò)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