為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，同時(shí)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國(guó)，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》等一系列綱領(lǐng)文件，對(duì)新能源汽車提出了高可靠、強(qiáng)操控和重舒適等要求。新能源汽車失去了傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)排氣噪聲的“掩蓋效應(yīng)”，電驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合噪聲成為影響汽車舒適性的重要因素之一，其受到汽車行業(yè)的普遍關(guān)注。因此新能源汽車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)NVH(振動(dòng)噪聲)變的尤其重要。齒輪的聲學(xué)特性主要受齒輪嚙合的諧波頻率影響，由于齒面的微觀幾何形狀對(duì)齒輪的噪聲激勵(lì)有實(shí)質(zhì)性的影響，因此許多工作集中在齒面微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造上。
此外，齒面上的波紋也會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合中的激勵(lì)階次，這些階次與齒輪嚙合的諧波頻率不一定相關(guān)，行業(yè)中稱為“鬼頻”階次。以前的研究表明，只要齒面上的波紋沿嚙合線方向周期性地變化，即使是亞微米范圍內(nèi)的小波紋也可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)激勵(lì)，并最終導(dǎo)致齒輪嚙合中的產(chǎn)生“鬼頻”階次噪聲，特別是在輕負(fù)載工況下。
在齒面規(guī)律波紋控制方面，廣泛認(rèn)為“鬼頻”階次問(wèn)題源于磨削表面形貌的周期性波狀結(jié)構(gòu)-波紋，現(xiàn)有研究已證明，磨齒過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)表面波紋存在很大的影響，除此之外，工藝參數(shù)、砂輪特性工藝條件等對(duì)表面波紋也有一定的影響。
Böttger,Jonas使用仿真模型分析了連續(xù)展成齒輪磨削精加工過(guò)程中的誤差對(duì)齒輪齒面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。Dietz,Christian提出了一種可以準(zhǔn)確計(jì)算磨削力的模型，并且與機(jī)床動(dòng)態(tài)多體系統(tǒng)進(jìn)行耦合，可以分析機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)并優(yōu)化加工工藝。Böttger,Jonas針對(duì)砂輪進(jìn)行修整的情況，開發(fā)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)切割模型，研究了修整誤差和相應(yīng)工藝參數(shù)對(duì)齒面波紋的影響。Hohle等研究波紋度對(duì)斜齒輪副傳動(dòng)和噪聲特性的影響。
然而，現(xiàn)有的表面波紋控制防止大多基于工程經(jīng)驗(yàn)，磨削后增加工藝打亂表面規(guī)則的波紋結(jié)構(gòu)，或利用齒輪計(jì)量中心進(jìn)行波紋度計(jì)量與總成EOL來(lái)攔截，但國(guó)外開發(fā)了一系列齒輪計(jì)量中心，但關(guān)于波紋機(jī)理處于絕密狀態(tài)，且此類方法計(jì)量節(jié)拍長(zhǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全檢，且流入總成EOL攔截“鬼頻”必會(huì)造成返修浪費(fèi)。
本文提出了齒面波紋仿真與加工過(guò)程相結(jié)合的齒面波紋度表征預(yù)測(cè)方法，旨在在齒輪磨削加工過(guò)程來(lái)攔截齒輪“鬼頻”的目標(biāo)。
一、齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)搭建
連續(xù)展成磨齒過(guò)程是非常復(fù)雜的加工過(guò)程，現(xiàn)有齒面形貌研究中并沒(méi)有考慮機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。為了從理論上找出磨齒過(guò)程的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性對(duì)齒輪齒面形貌的影響規(guī)律，本文提出了一種考慮砂輪振動(dòng)特性的斜齒輪連續(xù)展成加工數(shù)值仿真模型，將磨齒加工振動(dòng)信號(hào)與齒面重構(gòu)數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，建立了機(jī)床振動(dòng)與齒面波紋映射模型，為基于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和工藝參數(shù)等多種信號(hào)特征的齒輪磨削加工過(guò)程智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)提供了理論依據(jù)和輸入條件。
斜齒輪齒面創(chuàng)成仿真計(jì)算
獲取了齒輪、砂輪、磨齒工藝等基本參數(shù)進(jìn)行齒輪工件及砂輪表面的數(shù)學(xué)建模，提取了砂輪軸的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)，重組振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)，將重組后的振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)加載到砂輪固定坐標(biāo)系中，坐標(biāo)變換后將砂輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到齒輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，最終通過(guò)齒輪齒面表面創(chuàng)成運(yùn)算提取齒齒面波紋特征，如圖1所示。
齒輪磨削監(jiān)控系統(tǒng)與總成EOL系統(tǒng)數(shù)據(jù)
搭建了齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)，突破了磨齒過(guò)程信息采集與磨齒創(chuàng)成仿真模型相結(jié)合的數(shù)字孿生技術(shù)，提出了表面波紋的表征方法，實(shí)現(xiàn)了在磨齒過(guò)程中預(yù)測(cè)和管控鬼頻問(wèn)題。齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)具備振動(dòng)等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)具備齒面虛擬仿真能力，在磨齒過(guò)程找到鬼頻產(chǎn)生的原因進(jìn)而加以控制。總成下線檢測(cè)臺(tái)(EOL)系統(tǒng)可對(duì)齒輪進(jìn)行100% 的NVH檢測(cè)，通過(guò)階次譜分析可有效識(shí)別“鬼頻”階次，與齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)相互配合，將總成EOL“鬼頻”階次指標(biāo)轉(zhuǎn)化到齒輪磨削機(jī)床振動(dòng)指標(biāo)，形成齒輪表面波紋閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)齒輪磨削加工過(guò)程來(lái)攔截齒輪“鬼頻”的目標(biāo)，如圖2所示。
齒輪形貌單頻激振試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證齒輪磨削仿真的結(jié)果，設(shè)計(jì)了單頻激振試驗(yàn)，選擇在一個(gè)砂輪軸Z方向附加振動(dòng)，以盡可能簡(jiǎn)單地解釋砂輪軸振動(dòng)對(duì)齒輪形貌的影響。在實(shí)際齒輪加工過(guò)程中，通過(guò)西門子微型激振器激發(fā)振動(dòng)，同時(shí)使用加速度傳感器測(cè)量砂輪軸的振動(dòng)，加工得到的齒輪通過(guò)Klingelnberg P26齒輪計(jì)量中心測(cè)量齒面形貌拓?fù)湟约案道锶~分析驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性，從頻譜分析上看，砂輪軸振動(dòng)引起的60階特征對(duì)應(yīng)性較好，齒面波紋角誤差僅為2.9%，如圖3所示。
二、機(jī)床振動(dòng)對(duì)齒面形貌影響
齒輪磨削過(guò)程中機(jī)床的振動(dòng)非常復(fù)雜，為了研究清楚齒輪磨削過(guò)程中機(jī)床振動(dòng)對(duì)齒面形貌的影響，對(duì)砂輪不同方向振動(dòng)、不同頻率振動(dòng)以及不同工藝參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，同樣振幅的振動(dòng)Z方向引起齒面60階波紋幅值最大，其次為X方向振動(dòng)，再次為Y方向振動(dòng)。非整數(shù)階砂輪振動(dòng)會(huì)形成波紋角，當(dāng)砂輪軸非整數(shù)階振動(dòng)通過(guò)速比換算到齒面階次小于整數(shù)時(shí)波紋角為負(fù)值，齒面階次大于整數(shù)時(shí)波紋角為正值。如圖4所示。
砂輪與齒輪展成切削過(guò)程包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一個(gè)為軸向移動(dòng)，在切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)砂輪存在振動(dòng)時(shí)就會(huì)在齒面上形成波紋。為了研究砂輪振動(dòng)與砂輪線速度對(duì)齒面波紋影響，分別研究砂輪線速度30m/s、45m/s、60m/s時(shí)以及砂輪軸向進(jìn)給率為100mm/min、150mm/min、200mm/min時(shí)齒面形貌的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著砂輪線速度增大波紋角增大，隨著砂輪軸向進(jìn)給率增大波紋角會(huì)減小，如圖5所示。
三、應(yīng)用案例
某產(chǎn)品在總成EOL上發(fā)生“鬼頻”階次96.875階，如圖6所示。通過(guò)傳動(dòng)比換算29/51，“鬼頻”階次96.875階換算到中間軸齒輪上為167階。通過(guò)齒面計(jì)量中心FFT檢測(cè)以及相關(guān)性分析確定齒面“鬼頻”波紋特征的幅值等參數(shù)，即中間軸齒輪齒面167階次波紋特征0.1μm，如圖7所示。
通過(guò)齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)獲取了齒輪、砂輪、磨齒工藝等基本參數(shù)進(jìn)行齒輪工件及砂輪表面的數(shù)學(xué)建模，提取了砂輪軸的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)，重組振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)，將重組后的振動(dòng)位移時(shí)域信號(hào)加載到砂輪固定坐標(biāo)系中，坐標(biāo)變換后將砂輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到齒輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，最終通過(guò)齒輪齒面表面創(chuàng)成運(yùn)算提取齒齒面波紋特征，確定設(shè)備要求即機(jī)床10階振動(dòng)特征，再通過(guò)相關(guān)性分析確定規(guī)范應(yīng)小于0.02g，如圖8所示。
齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)具備振動(dòng)等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)具備齒面虛擬仿真能力，在磨齒過(guò)程中對(duì)機(jī)床10階振動(dòng)制定攔截標(biāo)準(zhǔn)。總成EOL與齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)相互配合，形成齒輪表面波紋閉環(huán)控制，如圖9所示。
四、結(jié)論與展望
齒輪齒面存在的微觀規(guī)律波紋往往是引起鬼頻問(wèn)題的主要原因，這種微觀的規(guī)律波紋通常是由于磨齒加工過(guò)程中機(jī)床振動(dòng)引起的。搭建了齒輪磨削加工智能監(jiān)控系統(tǒng)，突破了磨齒過(guò)程信息采集與磨齒創(chuàng)成仿真模型相結(jié)合的數(shù)字孿生技術(shù)，提出了表面波紋的表征方法，實(shí)現(xiàn)了在磨齒過(guò)程中預(yù)測(cè)和管控鬼頻問(wèn)題，并通過(guò)單頻激振試驗(yàn)驗(yàn)證了磨削仿真的準(zhǔn)確性。
本文分析了砂輪振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率，以及加工參數(shù)對(duì)齒面波紋影響，研究表明，砂輪Z方向振動(dòng)對(duì)齒面波紋幅值影響最大，非整數(shù)階砂輪振動(dòng)會(huì)形成波紋角，當(dāng)砂輪軸非整數(shù)階振動(dòng)通過(guò)速比換算到齒面階次小于整數(shù)時(shí)波紋角為負(fù)值，齒面階次大于整數(shù)時(shí)波紋角為正值。隨著砂輪線速度增大波紋角增大，砂輪軸向進(jìn)給率增大波紋角也會(huì)減小。
本文中磨齒加工數(shù)值仿真方法、齒面波紋FFT分析方法可以集成到齒輪加工設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控磨齒加工設(shè)備的振動(dòng)情況，預(yù)測(cè)被加工齒輪是否有出現(xiàn)鬼頻噪聲問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，并按需調(diào)整后續(xù)被加工件的工藝參數(shù)。
參考文獻(xiàn)略.