家用空調(diào)齒輪機(jī)構(gòu)異響原因的分析及解決方法

曾 望 付百?gòu)?qiáng) 馮文科 賴海波 曹端輝

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分為平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高等特點(diǎn)。在家用空調(diào)領(lǐng)域，平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)風(fēng)部件中，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)風(fēng)的平穩(wěn)、可靠，且已有多位學(xué)者進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)行產(chǎn)品存在的問(wèn)題

本論文以生產(chǎn)反饋異常為例，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)異響機(jī)理展開(kāi)深入研究分析，以便鎖定失效機(jī)理解決異響問(wèn)題。某款產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)部分空調(diào)內(nèi)機(jī)導(dǎo)風(fēng)板上下掃風(fēng)過(guò)程中周期性出現(xiàn)類似“咯”的一聲異響，異響聲音主要集中在導(dǎo)風(fēng)板右側(cè)，不合格比例 50 %。部分出現(xiàn)異響樣機(jī)經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn) 5～10 min后異響自動(dòng)消失，部分出現(xiàn)異響樣機(jī)重新裝配導(dǎo)風(fēng)機(jī)構(gòu)或更換步進(jìn)電機(jī)后異響消失，異響原因一直未能有效鎖定，對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，故對(duì)異響原因展開(kāi)深入的調(diào)查分析。

2 噪聲源定位及關(guān)鍵因素排查分析

2.1 噪聲源定位

針對(duì)反饋異常的下線內(nèi)機(jī)異響進(jìn)行音質(zhì)體驗(yàn)，分辨出類似“咯”的異響為注塑件摩擦跳動(dòng)產(chǎn)生的異響，且異響部位鎖定在出風(fēng)口右側(cè)。使用機(jī)械故障聽(tīng)診器對(duì)出風(fēng)口右側(cè)的步進(jìn)電機(jī)、齒輪盒及連桿組件進(jìn)行聲源定位，確認(rèn)異響由齒輪盒（圖1）內(nèi)部產(chǎn)生。對(duì)多臺(tái)存在異響的齒輪盒內(nèi)部齒輪運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異響產(chǎn)生時(shí)，1號(hào)齒輪（圖2）有瞬間跳動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 家用空調(diào)內(nèi)機(jī)導(dǎo)風(fēng)板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 機(jī)械故障聽(tīng)診器確定異響部位

2.2 關(guān)鍵因素排查

2.2.1 異物、零件毛刺排查

對(duì)多臺(tái)異常樣機(jī)上下導(dǎo)風(fēng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸及軸孔部位進(jìn)行常規(guī)檢查，未發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部位有凸點(diǎn)、毛刺、異物等明顯異常。

2.2.2 電機(jī)排查

通過(guò)檢驗(yàn)不同日期生產(chǎn)的電機(jī)制品，檢驗(yàn)結(jié)果均符合企標(biāo)要求，可排除上下掃風(fēng)步進(jìn)電機(jī)問(wèn)題。

2.2.3 關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部位同軸度排查

對(duì)面板體上導(dǎo)風(fēng)板三個(gè)軸孔同軸度以及連桿同軸度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)面板體與底殼裝配后，面板體導(dǎo)風(fēng)板軸孔同軸度超差 1.27 mm，超出設(shè)計(jì)圖紙同軸度要求，為確認(rèn)面板體導(dǎo)風(fēng)板同軸度超標(biāo)是否為造成上下掃風(fēng)異響的主要因素，通過(guò)局部矯形，將面板體與底殼裝配后的導(dǎo)風(fēng)板軸孔同軸度調(diào)整到合格范圍內(nèi)后異響消失。按照此方案進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)異響下線率由 50 %下降為 5 %左右，雖下線率出現(xiàn)大幅下降，但問(wèn)題尚未徹底解決，證明僅靠?jī)?nèi)機(jī)面板體導(dǎo)風(fēng)板軸孔同軸度進(jìn)行控制，無(wú)法徹底解決異響問(wèn)題，需進(jìn)一步排查其他因素。

2.2.4 鎖定最終異響源

橫向?qū)Ρ冉栌么她X輪盒的另一款機(jī)型，也出現(xiàn)了相同的導(dǎo)風(fēng)板上下掃風(fēng)異響問(wèn)題。經(jīng)對(duì)比結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)，上下掃風(fēng)齒輪盒及步進(jìn)電機(jī)為共用物料，結(jié)合前期噪聲源定位及相關(guān)排查結(jié)果，可確定齒輪盒是導(dǎo)致異響的主要因素。

3 齒輪盒齒輪跳動(dòng)異常理論分析

3.1 齒輪偏心后存在受力偏移跳動(dòng)

根據(jù)圖3所示齒輪盒結(jié)構(gòu)三維示意圖，針對(duì)異響情況下1號(hào)齒輪跳動(dòng)特征點(diǎn)進(jìn)行理論分析，核實(shí)在理論設(shè)計(jì)尺寸下，機(jī)構(gòu)力矩變化較為平穩(wěn)，力矩最大值10.8 N·cm；假設(shè)齒輪1與齒輪2偏心0.1 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)力矩整體增大（最大值為14 N·cm），且波動(dòng)幅度增大，如圖4力矩仿真對(duì)比圖，易產(chǎn)生階躍激勵(lì)，會(huì)導(dǎo)致齒輪受力存在偏移，易導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程存在跳動(dòng)造成振動(dòng)異響。

圖3 齒輪盒結(jié)構(gòu)三維示意圖

圖4 正常尺寸與偏心尺寸力矩仿真對(duì)比

3.2 電機(jī)軸與主動(dòng)齒輪配合虛位時(shí)也存在齒輪跳動(dòng)異響

齒輪盒內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)，通過(guò)電機(jī)軸與主動(dòng)齒輪軸孔相互配合，及主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪件嚙合進(jìn)行力的傳輸。在家用空調(diào)導(dǎo)風(fēng)板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中該處配合通常為過(guò)盈或者零間隙配合，以保證電機(jī)力矩平穩(wěn)的傳輸至齒輪結(jié)構(gòu)，及避免在導(dǎo)風(fēng)板運(yùn)行重力轉(zhuǎn)化受力方向突變情況下，導(dǎo)風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)的明顯跳動(dòng)及異響問(wèn)題。

但因生產(chǎn)加工誤差，在電機(jī)軸與軸孔產(chǎn)生間隙配合存在虛位時(shí)（如圖5所示），當(dāng)電機(jī)軸扁位與齒輪切向力方向平行或接近平行時(shí)，電機(jī)軸無(wú)法因摩擦力在軸孔中自鎖，會(huì)間隙產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生階躍激勵(lì)抖動(dòng)，產(chǎn)生異響。

圖5 電機(jī)軸與主動(dòng)齒輪裝配結(jié)構(gòu)及異常受力情況

3.3 齒輪齒廓加工生產(chǎn)異常時(shí)也存在齒輪跳動(dòng)異響

主動(dòng)輪齒廓與從動(dòng)輪齒廓在嚙合點(diǎn)的絕對(duì)速度大小及方向各不相同, 在嚙合過(guò)程中主動(dòng)輪齒廓與從動(dòng)輪齒廓之間存在滑動(dòng)摩擦，且大小與方向均成周期性波動(dòng)，當(dāng)注塑偏差導(dǎo)致齒輪精度較差時(shí)，齒形表面粗糙不規(guī)則如圖6所示，會(huì)導(dǎo)致嚙合過(guò)程中配合表面間的有效接觸面積減小，在電機(jī)輸出施加相同作用力情況下，導(dǎo)致局部壓強(qiáng)增大，受力局部失衡，增大齒輪局部磨損。同步因齒輪的制造及裝配誤差，會(huì)導(dǎo)致嚙合輪齒的法向齒距與理論齒距存在較大誤差，導(dǎo)致輪齒無(wú)法正確進(jìn)行嚙合，此時(shí)齒輪傳動(dòng)瞬時(shí)傳動(dòng)比不再為定值，所產(chǎn)生的角加速度會(huì)引起載荷或沖擊，將增加齒輪異響出現(xiàn)的概率及加大齒輪異響聲值。

圖6 X光投影下的異響齒輪齒廓

3.4 潤(rùn)滑脂差異影響

在齒輪嚙合過(guò)程中，常使用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑來(lái)減小齒間摩擦及噪音。其潤(rùn)滑機(jī)理作用過(guò)程如圖7所示，在（1-2）齒輪嚙合入口區(qū)：剪切速率增加，潤(rùn)滑脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破裂，形成稠化劑塊狀物；在（3）接觸區(qū)邊緣：剪切速率繼續(xù)增加，稠化劑塊狀物被分解為稠化劑纖維碎片；在（4）接觸區(qū)內(nèi)：剪切速率變小，稠化劑及基礎(chǔ)油混合物在赫茲壓力下處于玻璃態(tài)，形成潤(rùn)滑膜，起到減小摩擦，降低磨損的作用；在（5-6）齒輪嚙合出口區(qū)：無(wú)剪切作用，齒輪表面形成含有稠化劑碎片的沉積物。

4 齒輪盒關(guān)鍵部件尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量分析

4.1 齒輪盒上蓋尺寸

經(jīng)由三座標(biāo)排查全檢100件齒輪盒蓋（見(jiàn)表1）發(fā)現(xiàn)，只有編號(hào)40號(hào)齒輪盒蓋平面度不合格，但是與標(biāo)準(zhǔn)平面度之間偏差值較小（要求平面度小于 0.1 mm），可排除齒輪盒上蓋因素。

4.2 齒輪齒形及齒頂圓尺寸

排查四種模腔下四種齒輪（圖8）的齒頂圓尺寸數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），測(cè)量結(jié)果均符合齒輪尺寸標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于齒輪整體外形尺寸控制由模具廠開(kāi)發(fā)相應(yīng)通止規(guī)進(jìn)行測(cè)量，以齒輪理論尺寸設(shè)計(jì)通規(guī)，尺寸和圓度無(wú)異常，可排除齒輪尺寸異常因素。

表2 各齒輪齒頂圓尺寸數(shù)據(jù)(mm)

4.3 齒輪軸間距尺寸

在排查齒輪中心距過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)3號(hào)齒輪軸與2號(hào)齒輪軸間距較圖紙要求尺寸偏小 0.1～0.2 mm，進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有的 B1/B2 模齒輪盒底座上的三個(gè)齒輪軸的間距進(jìn)行測(cè)量（如圖9所示），隨機(jī)抽取 100 件樣品，發(fā)現(xiàn)圖紙標(biāo)注40#尺寸測(cè)量均偏小，齒輪軸間距下寬上窄，呈內(nèi)八字狀態(tài)，其實(shí)測(cè)詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖9 齒輪軸間距示意圖

表3 齒輪軸間距實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(mm)

此尺寸異常情況與前期理論分析3.1一致，齒輪軸間距偏小，裝配齒輪后會(huì)導(dǎo)致齒輪1與齒輪2偏心，使力矩整體增大，齒輪受力存在偏移，易導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程存在跳動(dòng)造成振動(dòng)異響，為造成齒輪盒異響的重要因素。

同步安排對(duì)齒輪軸垂直度進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果表4來(lái)看，3號(hào)齒輪軸垂直度超差較大，與圖紙要求的 0.02 mm垂直度相差 10 倍。

表4 齒輪軸垂直度測(cè)量數(shù)據(jù)（mm）

為了驗(yàn)證3號(hào)齒輪軸與2號(hào)齒輪軸間距偏小對(duì)齒輪異響聲的影響，鎖定最終導(dǎo)致齒輪異響最終原因，選取生產(chǎn)實(shí)物中測(cè)量過(guò)的間距偏小的20組齒輪軸底座，在20個(gè)未涂抹硅脂油確認(rèn)無(wú)異響的齒輪盒上進(jìn)行了更換，更換后，齒輪盒16組出現(xiàn)了異響。隨后將出現(xiàn)異響齒輪盒的3號(hào)齒輪軸用鉗子朝2號(hào)齒輪軸的反方向進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后兩個(gè)齒輪軸呈上寬下窄外八形態(tài)，重新裝配齒輪盒，異響消失。

4.4 硅脂油力矩性能差異對(duì)比分析

生產(chǎn)線更換A硅脂油后，齒輪盒異響故障由下線50 %降低至23.4 %，為進(jìn)一步分析A、B硅脂造成以上差異的原因，現(xiàn)使用旋轉(zhuǎn)流變儀（如圖10所示）對(duì)其進(jìn)行性能分析，其流變曲線如圖11、12所示，實(shí)驗(yàn)表明A硅脂油彈性模量較B潤(rùn)滑油高20.65 %，A硅脂油損耗模量為B潤(rùn)滑油損耗模量的3.85 倍。故在有剪切應(yīng)變時(shí)，A硅脂油具有更強(qiáng)的抵抗變形能力，可維持潤(rùn)滑層抵抗法向、切向變形，其整體粘性、韌性較高，可更好的維持油層附著在齒輪表面。

圖10 潤(rùn)滑脂測(cè)試儀器：旋轉(zhuǎn)流變儀

圖11 A硅脂油流變曲線

圖12 B硅脂油流變曲線

A、B硅脂油粘度曲線如圖13所示，在各剪切速率下，A硅脂油粘度均高于B硅脂油，可以更好的抵抗齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力形變、提供更好的潤(rùn)滑效果，可有效減小異響產(chǎn)生。

圖13 A、B硅脂油粘度對(duì)比曲線

5 解決和預(yù)防齒輪運(yùn)行過(guò)程中異響的方法

齒輪傳動(dòng)因傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)在家用空調(diào)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)、電機(jī)傳動(dòng)、家用電器運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)等多方面具有廣泛應(yīng)用，隨著用戶對(duì)于生活質(zhì)量的提升，在后續(xù)的家電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期應(yīng)該更多避免齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中因生產(chǎn)加工誤差、生產(chǎn)控制誤差等方面造成的異常噪音問(wèn)題。結(jié)合理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)提供三種較為可靠、可供借鑒的改善齒輪噪音問(wèn)題的思路：

1）齒輪配合間距偏小，嚙合時(shí)齒輪偏心，受力偏移跳動(dòng)易產(chǎn)生階躍激勵(lì)，易導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程存在跳動(dòng)造成振動(dòng)異響，批量生產(chǎn)過(guò)程可通過(guò)制作齒輪軸通止規(guī)（如圖14所示）來(lái)對(duì)此處關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，保證生產(chǎn)控制可靠性，避免偏心異響問(wèn)題。

圖14 齒輪軸間距尺寸檢測(cè)工裝

2）齒輪齒廓異常，嚙合過(guò)程中配合表面間的有效接觸面積減小，增大齒輪局部磨損，批量生產(chǎn)過(guò)程因齒輪的制造及裝配誤差，導(dǎo)致輪齒無(wú)法正確進(jìn)行嚙合，將增加齒輪異響出現(xiàn)的概率及加大齒輪異響聲值，可通過(guò)制作齒形精度工裝（如圖15所示）檢驗(yàn)，保證生產(chǎn)過(guò)程可靠性。

圖15 齒輪齒形精度檢測(cè)工裝

3）硅脂油對(duì)異響問(wèn)題的改善效果，及本身特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析，其硅脂油彈性模量、損耗模量參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑作用產(chǎn)生重要影響，彈性模量和損耗模量越高，齒輪傳動(dòng)的階躍激勵(lì)抖動(dòng)越小，在批量生產(chǎn)解決齒輪嚙合異響問(wèn)題時(shí)，可從優(yōu)化硅脂油粘性方向入手優(yōu)化解決。

6 結(jié)論

家用空調(diào)齒輪機(jī)構(gòu)異響有齒輪嚙合偏心、電機(jī)軸與主動(dòng)齒輪配合虛位過(guò)大、齒輪注塑精度差、齒廓異常等主要影響因素。可通過(guò)齒輪組過(guò)盈或者零間隙配合設(shè)計(jì)、制作齒輪軸中心距標(biāo)準(zhǔn)通止規(guī)、制作齒形精度工裝、優(yōu)化硅脂油彈性模量、損耗模量參數(shù)改善粘性等手段對(duì)家用空調(diào)齒輪機(jī)構(gòu)異響問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程控制。