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      行業資訊

      高 NVH 性能汽車雙曲線橋齒的優化設計與精準制造技術

      2022年8月13日 閱讀次數:1614

      汽車 NVH 性能已經成為汽車質量評估的重要指標之一,主減橋齒總成的 NVH 性能是影響整車 NVH 的主要因素。汽車雙曲線橋齒作為其主要的傳動部件,在承受汽車變載變速的動態工況下,同時受到橋齒總成安裝誤差及軸系受載變形的影響,從而產生齒面嚙合運動誤差(或傳動誤差 Transmission Errors),并成為汽車嘯叫噪聲(Whine)的主要來源。雙曲線橋齒在傳遞載荷和運動的同時,要起到吸收和補償安裝 誤差及軸系受載變形的作用,從而使傳動在無嘯叫噪聲的工況下平穩工作。因此汽車雙曲線橋齒的優化設計要同時考慮齒輪強度,傳動誤差,總成安裝誤差及軸系受載變形等因素,而先進的雙曲線橋齒的閉環制造方法及工藝是精準實現其優化設計的保證。本文基于江西江鈴集團車橋齒輪有限責任公司(以下簡稱公司)多年的橋齒制造實踐,介紹了高NVH性能雙曲線橋齒的優化設計與精準制造的方法。

      汽車雙曲線齒輪由美國格里森公司(The Gleason Works)著名科學家維爾德哈伯(E. Wildhaber)博士發明(見圖 1),美國格里森公司是螺旋傘齒輪及雙曲線齒輪技術的鼻祖和領軍者,格里森公司汽車雙曲線齒輪有常見的兩種齒制:收縮齒和等高齒(見圖 2),由于兩種齒制機床產形運動的不同,根據其縱向齒形的幾何形狀,收縮齒也稱為圓弧雙曲線齒輪,而等高齒也稱為延伸外擺線雙曲線齒輪(見圖 3)。圓弧雙曲線齒輪能實現硬齒面磨齒工藝;而延伸外擺線雙曲線齒輪無法實現硬齒面磨齒工藝,其硬齒面精加工通常采用研齒工藝實現。收縮齒磨齒采用五刀法和全工序法兩種磨齒工藝路線,磨齒工藝的優點是其能精準實現微觀幾何的優化設計,并具有互換性;而研齒工藝在熱處理變形控制不當的條件下,較難實現微觀幾何的優化設計,一致性較差,而且不具有互換性。

      圖1:曲線齒輪

      圖2:雙曲線齒輪兩種齒制收縮齒和等高齒

      圖3:收縮齒(圓弧雙曲線齒輪)和等高齒(延伸外擺線雙曲線齒輪)

       

      等高齒硬齒面研齒工藝受淬火熱處理變形的影響較大,對鋼材的偏析度和淬后芯部硬度的離散度均要求較高,選用鋼材時要注重成份均勻且晶粒度適當,嚴格控制淬火溫度和油溫,從而有效地控制輪齒螺旋角方向及壓力角方向的變形量。只有維持較高熱后精度,才能有效地保證研齒效率和研后精度。目前,熱處理變形控制技術,是影響等高齒研齒生 產成本的重要因素,并成為等高齒廣泛應用于高端車橋的一個瓶頸。

       

      為了克服因等高齒熱處理變形對研齒工藝產生的不利影響,公司與美國格里森公司合作,開發了其獨具特色的擁有自身知識產權的延伸外擺線(等高齒)硬刮制造工藝過程, 從而保證了等高齒能精準實現其優化設計的微觀幾何,有效地克服了等高齒熱處理變形的 負面影響,達到了高NVH性能雙曲線橋齒的制造目標。

       

      隨著新能源汽車的不斷發展和應用,汽車行業對汽車 NVH(Noise 噪聲,Vibration 振動,Harshness 聲振粗糙度)性能的要求越來越高,汽車橋齒主減制造企業正面臨著高NVH 性能雙曲線齒輪制造的挑戰。齒輪行業對解決齒輪噪聲問題的理解普遍存在著誤區,錯誤地認為齒輪制造精度越高齒輪噪聲就越低,一味地追求高精度齒輪制造,其結果可能使齒輪制造的成本大大提高,而齒輪傳動的噪聲不僅沒有降低,反而增高了。這是因為超高精齒輪副對總成安裝系統誤差及軸系受載變形的影響更為敏感,導致齒面嚙合的邊緣接觸, 從而產生較大的嚙合運動誤差(或傳動誤差Transmission Errors), 并成為汽車嘯叫噪聲(Whine)的主要來源。筆者認為,汽車雙曲線齒輪的制造精度在 GB5-7 級范圍即能滿足高 NVH 性能的要求。然而高 NVH 性能雙曲線齒輪的制造技術訣竅在于正確的齒輪齒面的微觀幾何(修形)的設計及齒面失配(Ease-off)的優化,并應用先進的雙曲線齒輪的閉環數字制造方法及工藝,精準地實現其微觀幾何的優化設計。

       

      公司充分利用美國格里森公司最新發布的 KISSsoft 軸系分析軟件和GEMS 雙曲線齒輪CAE 軟件,首先利用KISSsoft 軟件計算主減在受載工況下系統的變形及齒輪位移量,生成 GEMS 軟件的齒輪位移輸入參數;在同時考慮雙曲線齒輪輪齒強度,傳動誤差,總成安裝誤差,熱處理變形,及軸系受載變形等因素下,進行曲線齒輪宏觀幾何和齒面的微觀幾何的優化設計。其設計過程包括宏觀幾何設計及優化,精準的三維嚙合模型的生成,刀具的幾何優化,齒面嚙合接觸分析(TCA)及齒面干涉的檢查,精準三維 TCA 嚙合模型的生成,齒面失配(Ease-off)的優化,雙曲線齒輪效率計算,基于有限元方法的加載TCA 分析,應力和壽命的計算等(見圖 4)。GEMS 軟件最終將齒輪的機床加工參數及齒面幾何測量數據,通過網絡系統傳到各相關加工機床和測量設備上,從而實現閉環制造工藝過程。利用閉環制造工藝過程(見圖 5)。精準實現雙曲線齒輪的精度指標及齒面微觀幾何的優化設計。


      圖4:格里森公司新一代雙曲線齒輪CAE 軟件

      圖5:雙曲線齒輪的閉環設計與制造一體化系統

       

      公司在多年的汽車雙曲線齒輪的制造實踐中,形成了成功的收縮齒磨齒,等高齒硬刮及研齒相結合的工藝路線(見圖 6 和 7)。磨齒和硬刮工藝均能精準的實現齒輪的微觀修形幾何,消除熱處理變形,通常無需再研齒,然而針對高端車橋應用的要求,為了將橋齒 NVH 性能達到極致,公司在磨齒和硬刮工藝中均增加了格里森的智能研齒工藝,其目的是清除齒面的微凸體從而提高齒面的跑合性。另外,為了提高齒輪的彎曲強度,也增加了齒根噴丸工藝。

      圖6:雙曲線齒輪磨齒閉環制造工藝路線

      圖7:雙曲線齒輪硬刮閉環制造工藝路線

       

      公司配合用戶開發了NVH在線檢測臺架系統,采用美國Burke Porter 公司生產的驅動橋測試臺,驅動橋測試臺采用電機驅動,并設有加載裝置,可以對輸出轉速、扭矩進行精準的控制,能夠實現多種轉速/扭矩工況組合,更加精準的模擬變速度、變載荷、變扭矩等整車工況;測試臺架上布置有多種傳感器,可在測試過程中實時采集扭轉加速度 (IPTA)以及動態扭矩(IPDT)等可以表征的NVH性能信號,使得驅動橋EOL NVH下線檢測臺架對異響件的識別率保持較高的水平。

       

      驅動橋下線NVH檢測的基本準則就是先選取數臺整車主觀駕評,將其安裝在下線檢測臺架上進行測試,采集各個工況下隨轉速變化的NVH信號曲線,以得到NVH目標曲線,并作為NVH對標控制曲線輸入到設備檢測控制程序中。為了保證后續生產過程中的每臺驅動橋的NVH 性能都達到可接受的標準,將完成裝配的驅動橋安裝到臺架上進行下線檢測,將測得的NVH信號與對標控制曲線進行對比,若測試曲線中所有轉速下的幅值均未超過對標曲線的幅值,則判定該橋的NVH 性能合格。公司對每臺總成均進形嚴格的NVH 檢測,對橋齒的加速面和減速面NVH 性能指標均設有較高的主觀和客觀的檢測標準(見圖 8)。

      圖8:總成NVH 檢測曲線

      ? ? ? ? 總之,成功的高NVH 性能汽車雙曲線橋齒的制造實現,不僅要依靠高精的制造裝備,更重要的是與之相兼容的先進的設計方法和工藝訣竅,以及整個生產過程的科學管理和各職能部門協同攻關的精神。公司始終跟蹤世界先進的橋齒設計方法和制造技術,不斷完善橋齒制造過程的每一個環節,永無止境地追求橋齒制造技術的更高境界。

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