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变速箱齿轮噪音的浅析自1894年一个法国工程师给当时的汽车装上世界第一个变速箱以来，汽车变速箱的发展已经走过了一百年的历程。变速箱，英文叫做Transmission，位处离合器和传动轴之间，可以将发动机的动力和转速输出进行调节后，再传给驱动轮，起到调配作用。变速箱是汽车动力系统中重要性仅次于发动机的部件，直接涉及操控乐趣和驾乘舒适性。因此，变速箱的质量直接影响汽车的质量。汽车变速箱从最早的MT手动档，演变为目前较多汽车上配置的自动档、手自动一体档。但不论手动档还是自动档的变速箱，都有一个共同的故障模式—噪声。而变速箱产生噪声的因素又是很多，这里我只讨论其中的一个因素—-齿轮。为了提高变速箱的质量，降低变速箱的噪声，在齿轮加工过程中，除测量齿轮的的齿形、齿向、径跳等参数外，还会对齿轮的噪音进行检测或者配对使用，这在高端变速箱生产中是比较常见的。一、齿轮传动噪声的影响因素首先我们分析一下产生噪音的原因。齿轮噪声更准确地应称为齿轮传动噪声，其声源为齿轮啮合传动中的相互撞击。齿轮传动中的撞击主要齿轮传动误差和安装误差引起。1)齿轮啮合的周期性变化对传动噪声的影响也就是说，当一对齿轮进入啮合时，其啮合点速度的瞬时差异造成在被动齿轮齿顶处产生撞击，发出撞击声音。在不同载荷下齿轮传动产生的噪声程度也是不同的。2)齿轮加工误差和安装误差对传动噪声的影响传动噪声的影响因素主要为齿轮的加工误差和安装误差。加工误差包括齿形误差、齿向误差、齿距误差、齿圈跳动等。安装误差主要包括齿轮安装后在变速器内轴线的平行度、中心距、和齿轮副的侧隙等。a.齿形误差是齿轮精度标准中影响齿轮传动振动噪音的主要误差项目，它破坏了齿轮传动的平稳性，使齿轮在啮合过程中产生瞬时传动比的突变，即产生角加速度，引起附加动载荷的变化，从而产生高频冲击而发出噪音。b.齿距误差是由于设备、刀具、齿坯加工时安装定位等多种原因造成的，是不可完全避免的误差，它的存在会造成变速器噪音周期性反复。c.齿轮安装轴线不平行、中心距误差、齿向误差以及齿轮副侧隙过大等，都会造成齿轮副不正确啮合，产生撞击声。这里我主要想分析一下齿轮的加工误差对噪声的影响。如何解决这个的问题呢？在解决问题之前，我们先以渐开线圆柱齿轮为例，了解一下齿轮的加工工艺。以便从中找出齿轮加工误差的解决办法。二、圆柱齿轮加工工艺1.轮齿的加工方法：现在大部分变速箱使用的齿轮为渐开线圆柱齿轮，渐开线圆柱齿轮的加工主要有两种法式：展成法和仿形法。1.1仿形法是利用与齿形曲线相同的成形铣刀来加工齿形。其加工特点是：加工速度慢、需要专用刀具、加工精度低、不适宜大批量生产。1.2展成法也称范成法是利用刀具和工件相对运动来切削齿形的方法。其加工特点：加工速度快、符合一定条件时刀具可以通用、加工精度高、适宜大批量生产。刀具主要有滚齿刀、剃齿刀和插齿刀。2、圆柱齿轮的加工工艺2.1齿轮加工工艺过程从上面的工艺过程可以看出滚齿是制齿的粗加工、剃齿是制齿的精加工过程，这两个过程加工质量决定着齿轮的最终质量情况。因此以上两个过程是我要重点分析的。2.2滚齿过程中，影响齿轮质量的因素a、如图3所示，在滚齿机上安装齿坯时，齿坯回转中心O1O1与机床心轴回转中心OO有安装偏心ej,，在滚齿时，假定滚齿刀到机床回转中心O距离不变，这样切出的齿轮会有一个几何偏心ej,如图5所示。产生几何偏心的齿轮齿圈上各个齿形的形状和位置相对于加工中心O是没有误差的，但相对于几何中心O1是有误差的，齿高是变化的。这样的偏心最大量是2ej。这样的齿轮齿面位置相对回转中心在径向的变化量是以一转为周期的变化，会引起传动比的周期变化，影响传动的准确性。此种偏心称为几何偏心。产生这种偏心的齿轮会产生径向跳动误差。b、还有另外一种情况如图3所示，当滚齿机分度涡轮轴线O2O2与机床心轴回转中心OO有运动偏心ey时，会使齿轮产生切向的运动误差如图5，齿圈分度圆上尺形的形状和位置相对于中心O是变化的，齿距由小变大，再变小，以一圈为周期变化。此种偏心称为运动偏心。运动偏心的齿轮会产生齿距误差。造成公法线变动量超差。c、由于滚齿刀制造质量、刃磨质量、安装调整问题；滚齿机自身精度、涡轮制造质量、安装质量等原因同样会使加工出的齿轮存在齿形误差、齿向误差、齿距误差。2.3、剃齿对齿轮质量的影响剃齿是根据一对轴线交叉的斜齿轮啮合时，沿齿向有相对滑动而建立的一种加工方法。剃齿时剃齿刀和齿轮是无侧隙双面啮合，剃齿刀刀齿的两侧面都能进行切削。当工件旋向不同或剃齿刀正反转时，刀齿两侧切削刃的切削速度是不同的。为了使齿轮的两侧都能获得较好的剃削质量，剃齿刀在剃齿过程中应交替的进行正反转动。图6是剃齿的图。剃齿是一种利用剃齿刀与被剃齿轮做自由啮合进行展成加工的方法。剃齿刀与齿轮间没有强制性的啮合运动，所以对齿轮的齿距误差修正较小，但对齿形、齿向、齿面粗糙度等会有明显的提升。剃齿是对滚齿后的齿形做进一步的修整，我们所需要的齿形形状都是由剃齿来完成的。为了降低噪音，现在大多数齿轮都有修形的要求，齿向修形、齿顶修形等。这就使得剃齿成为比较重要的加工工序。一般滚齿后会给剃齿留0.15左右的加工余量，余量太大或太小都会影响剃齿质量。剃齿刀是不得不说的一个关键因素，剃齿刀的刃磨质量和制造质量决定着齿轮的质量。另外因为剃齿是非强制切削，所以对因滚齿造成的误差剃齿是无法修复的，尤其是公法线变动量超差更难以修复，而且，剃齿还会把滚齿造成的齿圈径跳误差转换成公法线误差。因此，要求滚齿时必须保证齿轮的公法线精度。三、影响齿轮噪音原因控制既然影响齿轮噪音的主要参数的加工形成方式清楚了，那么我们也就找到了解决的办法。1、齿顶修缘前面已经说过产生齿轮的噪声的一个因素就是齿轮啮合撞击产生的噪音。对齿廓修缘是改善齿轮动态性能和降低振动噪声的主要措施。如图7所示.对进行齿顶修缘可以减小啮入冲击，从而减小因冲击造成的噪音。齿轮修缘是指在齿轮齿顶用一段曲线代替标准渐开线。修缘曲线一般都选取压力角大于20度的渐开线，这样加工起来会比较容易。现在设计师在设计齿轮时大都已经采取了齿顶修缘的方式。这样就为降低齿轮的噪声提供了最基本的保障。当然，齿顶修缘在加工时对刀具的要求很严格，因为当修缘曲线与齿面曲线相交处过渡不正确，反而会造成啮合噪音的加大。2、齿向修形---鼓形齿减少啮合冲击，降低噪音的另一种方式就是进行齿向修形即采用鼓形齿。齿向修形是对齿轮渐开线轮廓的一种修正如图8。在正确啮合的一对齿轮副中，齿宽方向应该是均匀受载图9（a）所示，这样才能提高齿轮的承载能力和减小啮合噪音。但实际啮合中因为齿轮存在制造误差及安装中箱体孔的位置误差、轮齿受载后的弹性变形等多种因素的影响，实际啮合情况如图9（b）所示。这样的啮合不但会造成很大的冲击力从而产生啮合噪音，而且后造成轮齿的偏载。为了避免这种情况发生，对齿向进行鼓形修形，就会使接触更加平顺如图9（c），降低了啮合冲击和噪音，改善了偏载的情况。3、齿形误差控制3.1、齿形误差分为形状误差和角度误差两种。其中形状误差中的中凹齿形、波形齿形和角度误差中的负压力角偏差（齿廓线在齿顶处升高，压力角减小）即齿廓斜率偏差为正时，对噪音影响最大的。这是因为两个齿轮啮合时齿面逐渐进入啮合接触，因为齿形误差的存在使得啮合过程中两齿面接触不良，造成轮齿瞬时速度不一致，产生冲击形成啮合噪音。3.2、要减小齿形误差主要从以下几方面入手:a、滚齿质量控制因剃齿的特点决定了剃齿对滚齿精度的修复能力是有限的，因此必须控制好剃前的齿轮精度。主要控制滚齿刀质量和刃磨质量和剃齿余量。在滚齿加工过程中，滚齿刀齿形精度、滚齿刀的安装角度、滚齿刀安装后的径向跳动和轴向串动量都是影响齿形超差的原因。在加工调整时要根据滚齿刀和齿轮的旋向正确调整滚齿刀安装角度，检查滚到主轴和机床主轴的精度，是指在0.01mm之内，以保证滚齿刀的安装精度。下面以森雅车变速箱中间轴D齿齿轮加工中出现的问题为例做个简单的解释下图是D齿滚齿的齿形图，从图中可见，齿面有明显的波纹产生，齿形的形状误差最大达到14.5μm(左侧数第二条),这样的齿形在剃齿后会产生凹心如图所示，啮合时产生噪音。缺一张凹心厉害的齿形图滚齿产生这种情况的原因有以下几方面：1）、滚刀磨损，因没有及时更换滚齿刀造成滚齿刀刀刃钝，加工时对齿面有撕裂。2）滚齿刀安装后，滚齿刀主轴轴向串动大，这是应该调整主轴两侧的轴承和止推垫片，检测刀杆两端（近端和远端）的跳动值，根据所加工齿轮的精度等级，7级齿轮最大不能超过0.005和0.008mm,8级齿轮最大不能超过0.008mm和0.01mm以保证滚齿刀的调整精度。3）滚齿刀安装后，滚刀轴台径跳根据所加工齿轮的精度等级，7级齿轮最大不能超过0.015mm。8级齿轮最大不能超过0.02mm.（径向跳动需要调整到多少？怎样检测？）4）滚齿刀的刃磨质量不好，容屑槽的齿距累积误差大。这在滚齿刀刃磨后就需要对滚齿刀进行详细的检测，不合格的刀具不能生产。以上故障排除后，滚齿的齿形如下图所示：齿形误差有明显的好转。剃齿后的齿形如图所示。一般为了保证齿形误差，滚齿给剃齿的余量是不均匀的，这样有利于延长剃齿刀的寿命，并加大生产效率。余量一般是齿顶、齿根少一些，齿的中部多一些。如图所示。为了保证剃齿的质量，除了要保证滚齿的齿形外，加工余量也不可过大或过小，两者都不利于剃齿对齿形的修复。b、剃齿质量控制现在齿轮加工行业中，剃齿大都选用径向剃齿法。径向剃齿法在剃齿过程中，剃齿刀只作径向进给，所以，又称切入进给剃齿法，简称切入法。这是一种加工效率高、剃齿精度高、刀具寿命长并且也能适用于多联齿轮的剃齿，因此被广泛应用。在剃齿过程中同样会产生齿形误差：如图所示这个误差离不开剃齿刀的因素。剃齿刀在刃磨时齿形不正确，剃前齿轮的剃齿余量太多；剃前齿轮的余量分布形式不好，在齿根和齿顶处的余量太多；在剃前齿轮余量太多的情况下，采用较大的径向进给量，使齿形产生畸变；等等，都会产生较大的齿形误差。或者齿形很乱。新的或刃磨过的剃齿刀要检验器齿形是否为加工需要的齿形；前序提供的滚齿件加工留量及留量分布要符合加工要求；以上措施调整完成后，剃齿齿形如下图所示。4、齿向误差齿向误差也也就是螺旋线误差，主要反映在螺旋角误差上。它所反映的是齿轮加工时的轴向误差，主要影响齿轮的接触精度和载荷分布。对变速箱的噪音有一定的影响。这在本文开头已经有所介绍。那么，如何避免产生齿向误差呢?4.1齿向误差的主要原因是机床、刀架的垂直进给方向与零件轴线有偏移，零件装夹定位面与装夹心轴不垂直，或上尾座顶尖中心与工作台回转中心不一致，还有滚切斜齿轮时，差动挂轮计算误差大，差动传动链齿轮制造和调整误差太大。再就是滚齿误差太大，剃齿没有修正过来。夹具和齿坯制造、安装、调整精度低也会引起齿向误差。4.2解决方案1）、保证机床立柱精度以及上下顶尖的同轴度2）、齿坯定位孔与定位面的加工精度，保证孔与端面的垂直度，以及内孔尺寸精度。3）、滚齿心轴采用可涨芯轴，这样齿坯安装后才能没有间隙，不但能保证齿向精度，还能保证齿距精度4）、滚齿机床分度涡轮副的啮合间隙要适当5）剃齿时的轴交角调整不正确，下图为调整后滚齿齿向5齿距误差齿轮啮合过程中，齿距累积误差每周出现两次或更多，使齿轮产生摆动。相互啮合轮齿所产生的摆动增强或减弱而产生不同程度的噪声。如图所示产生这种情况的主要原因是加工过程中的运动偏心。即前面提到的分度涡轮安装偏心。滚齿机工作台回转轴线晃动对齿轮大周期误差造成很大影响，而且此轴线晃动的低频成分对周节累积误差造成影响尤甚。在齿轮加工、检验中，一定要注意检测和控制工作台轴线晃动精度。这样就有利于控制齿距误差。另外，滚齿刀、剃齿刀的周节累积超差、或滚齿件周节超差剃齿时是无法修复的。或者剃齿时进给量大，剃齿速度快，都能产生齿距误差。所以，控制齿距误差要从齿坯开始，包括滚齿、剃齿的各个环节都不能放过。装配质量对变速箱噪音控制有直接的影响，在实际生产中也常常会遇到这样的例子：拆箱检查后没有发现什么问题，重新装配后整箱的噪音就降低了许多。因此在装配过程中应该注意一下几点1）