關于某WDCT 變速箱磨削振紋與嘯叫的研究

石承鋼

（廣汽乘用車有限公司）

目前消費者對于汽車的需求不再限于法規、功能、安全等基礎元素的滿足，而逐漸衍生出對視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等多個感官方面的愉悅需求[1]。變速箱嘯叫是噪聲的主要來源之一，而對變速箱嘯叫的研究可以發現，目前變速箱嘯叫的研究主要是嘯叫階次與齒數成整數倍的常規嚙合噪聲，對于不成嚙合齒數整數倍的嘯叫噪聲無法使用常規的檢測方法進行判定。對于該類型的嘯叫必須進行交叉測試才能鎖定故障零件，但依舊無法確定問題尺寸與嘯叫的關系。文章從外圓、內孔振紋和嚙合齒面振紋出發，研究微觀振紋對于嘯叫噪聲的影響，并簡單介紹振紋的改善方式和控制措施，以便達到消除嘯叫的目的。

1 振紋引起嘯叫簡述

1.1 嘯叫與振紋簡介

嘯叫是一種極易被人耳識別的中高頻率純音，由于該噪聲屬于中高頻段，因此非常尖銳，類似高頻口哨聲[2]，變速箱嘯叫主要是由于齒輪嚙合時產生傳遞誤差，在嚙合齒輪之間振動摩擦發出噪聲。

振紋是指表面產生規律性微小的振動波紋，介于粗糙度與波紋度之間的特殊微觀特征，其波長大約在0.6～1.5 mm 之間[3]。振紋也分為多種形式，根據加工方式分為車削振紋、磨削振紋、銑削振紋、滾齒振紋等[4]。

1.2 外圓/內孔振紋引起的嘯叫

在NVH 噪聲測試中部分總成在R 擋加減速時設備報警，并且當輸入轉速超過1 500 r/min 時，出現嘯叫噪聲，分貝值隨著轉速的提升逐漸變得尖銳刺耳。在噪聲檢測分析系統上顯示86、128、130 和142 階次異常，通過換裝驗證鎖定故障零件（內軸和外軸），故障件圓度圖形明顯呈現出規律性的波紋狀，對圓度進行FFT分析發現：與NVH 檢測設備上表現的異常階次存在關聯性，如圖1 所示。

圖1 故障件表現特征

1.3 齒面振紋引起的嘯叫

NVH 噪聲檢測中，經常出現嘯叫的階次并不是齒輪的嚙合階次，俗稱“鬼音”，這類嘯叫主要是由于齒面存在規律性振紋，只能通過交叉換裝試驗才能鎖定問題齒輪[5]。若是對“鬼音”發生的齒輪進行測定，會發現齒面有周期性的彎曲，針對齒形數據進一步FFT 分析，可以鎖定諧波的問題階次。文章研究的變速箱出現過82 階次嘯叫音（非齒輪階次），如圖2 所示，在對故障件齒面進行FFT 分析中發現齒面諧波階次也是82 階次，嘯叫由齒面振紋引起。

圖2 NVH 異常彩圖

2 嘯叫原理分析

2.1 R 擋傳遞路線介紹

文章研究的變速箱R 擋的動力流為：動力輸入→外軸二主擋主動→二擋從動→倒擋齒輪→三擋從動（倒擋與三擋從動利用齒套連接）→三擋主動→一擋主動→一擋從動→下軸主減齒→差速器→動力輸出。當掛入R擋時，內軸和外軸反向旋轉，相對轉速為二者之和。

2.2 嘯叫原理分析

2.2.1 內/外圓振紋引起嘯叫原理淺析

嘯叫的本質是聲音，而聲音產生的根本是振動。當內/外圓存在振紋時，滾針軸承在內/外圓配合的旋轉運動中作規律性起伏振動（起伏頻次和波峰個數一致），其振動程度隨著振幅值和相對轉速呈現正相關[6]。由于掛入R 擋時，內外軸旋向相反，相對轉速為其代數和，其余擋位旋向相同，因此當內外軸滾針配合面出現振紋時只有R 擋出現嘯叫。

2.2.2 齒面振紋引起嘯叫原理淺析

齒輪副在嚙合過程中，作用力沿著接觸方向。當2齒輪均為理想漸開線齒廓時，作用力的方向不會發生改變，但齒輪齒面振紋的存在會使力的方向發生變化而產生振動，由此會產生嘯叫噪聲[7]。在實際中，嚙合線難以直接檢測，所以需要分別對齒向和齒形進行檢測，對于齒面振紋的檢測可以使用三菱齒形儀、克林貝格或者溫澤的齒形儀測量全齒后進行FFT 分析。

3 振紋改善方法驗證及效果

3.1 內外圓振紋改善方案

從磨削原理上分析，一旦砂輪動平衡過大、工件剛性不好、或者砂輪修整異常等都會造成磨削振紋的產生[8]，而動不平衡一部分是由于設備和砂輪本身引起，一部分也是加工的工藝參數設置不合理，導致加工系統產生共振。

3.1.1 降低磨前粗糙度

為保證磨削余量均勻性，在磨前需增加一道車削工序，但車削后的表面粗糙度若低于0.4，極容易導致磨削時砂輪啃磨，此時容易產生規律性振紋。為了防止磨削時產生啃磨現象，其磨前的粗糙度最好保證在1.2～3.0 之間，其解決措施可采取：1）增加車削余量，最好在0.05～0.07 mm 之間；2）使用輕微磨損的車刀替代新刀加工。

3.1.2 優化工件轉速和砂輪線速度的配比

砂輪線速度和工件轉速需要合適的組合才能使其磨削表面無振紋或者振紋幅值處于較低狀態。磨削轉速過快會造成磨削力過大，工件振動加強，磨削表面會有明顯振紋；若是轉速過低又會造成表面粗糙度過大，光潔度差。二者的選取必須遵循：工件轉速與砂輪轉速比值為無理數。

3.1.3 增加拋光工藝

由于內軸屬于細長軸，工件本身剛性比較差，不管對磨削參數和硬件條件如何調整（主要調整砂輪和工件轉速、進給量、增加支撐支架和調整主軸跳動等），始終存在明顯振紋，其解決方案就是在磨削后增加拋光。拋光是一種能夠提升表面質量的有效方式，一般的磨削振紋幅值在1.4 μm 以下，拋光可去除表面2.5～3.5 μm的材料，采取拋光可以改善振紋，如圖3 所示。

圖3 外圓拋光前后傅里葉對比

3.1.4 提高基準精度

對于磨削時需要基準外圓或者內孔作支撐的情況，其基準精度直接影響磨削的表面。表1 示出內孔和基準振紋的對比情況，可以看出內孔和基準外圓的振紋階次一致，因此，加工中一定要保證基準無振紋。

表1 內孔與基準振紋關系

3.1.5 適當降低砂輪精加工進給速度

磨削精加工一般都會細分為粗磨、半精磨、精磨和光整幾步，精磨進給速度設置過大，會造成精磨時間過短，表面振紋明顯[9]。適當的降低精磨進給速度可以大幅度降低表面振紋，例如文章中外軸內孔振紋就是通過將精磨進給速度由0.04 mm/min 降低至0.02 mm/min得以改善。

3.1.6 采用珩磨加工

珩磨加工時，珩磨條不僅周向旋轉，在軸向上也會竄動，加工表面形成的紋路是網格花狀，其圓周方向不會形成規律性波紋，珩孔可以有效解決磨孔加工引起的內孔條狀振紋。

3.2 齒面振紋的改善措施

齒面振紋的產生主要是機械部件剛性不好或者受到外界振動源影響。為解決這類問題可采取如下措施：

1）提高砂輪刃磨質量、刀具主軸和工件裝夾芯軸的剛性

砂輪作為直接磨削的刀具，其修整質量直接影響齒輪齒面質量，砂輪磨削表面的修整質量差容易導致磨削時的振動，產生周期性激勵。主軸和芯軸的剛性差，在磨削力的作用下更加容易產生激勵性振動，造成齒面振紋。

2）提高磨齒砂輪和齒坯的裝夾穩定性

砂輪或者齒坯裝夾不穩，在磨削時齒輪會產生周向的輕微轉動或者上下振動，造成磨削振紋。提高裝夾穩定性可以有效消除齒輪或者磨削砂輪的振動，從激勵源上避免。

3）適當減少進給量，同時保證充分的冷卻潤滑

合適的進給量，可以有效保證磨削力，在磨削系統中，磨削力大振動大。適當減少進給量，可以減少振動強度，避免產生齒面振紋。而高速旋轉的磨削加工，必須有充足的冷卻潤滑才能確保齒面質量。

4）選擇合適的砂輪頭數

砂輪的頭數直接影響磨削效率，頭數越多磨削效率越高，但相應的磨削力也會越大，系統的振動也會增大，極容易造成齒面磨削振紋。對于大模數齒輪，為減小切削力，需要選擇小頭數的砂輪，反之亦然；但在選擇砂輪頭數時必須遵循一個原則，即砂輪齒數與頭數的比值不可為整數，這樣可避免同一個齒均為相同砂輪齒槽加工。

5）強力珩替代磨齒

強力珩屬于擠壓切削，珩齒時，珩磨輪和齒輪呈交錯軸嚙合狀態[10]，沿齒形方向的相對滑動和沿齒寬方向的相對滑動復合形成特有的珩齒弧紋，該紋路可降低齒輪傳動噪聲。

3.3 振紋檢測分析和規格選定

振紋的測定中，內/外圓的振紋檢測可以使用圓度的測量數據進行FFT 分析，圖4 示出圓度儀檢測報告。需要注意的是在評價時最好選擇非濾波方式，采取濾波會將較小的振紋特征略掉，不利于振紋分析。而對于齒面振紋，需要在齒輪儀中增加單獨的評價模塊進行FFT 分析，得出規律性的諧波信號，如圖5 所示，其所涉及的內部計算公式均為：

式中：S（w）——阻帶邊緣，即不同階次下對應的幅值，μm；

R——可接受的波紋高度，對于內/外圓為圓度要求，μm；

W——波數（階次）；

N0——經驗常數；

K——經驗更正值。

為了驗證準確的參數，需要進行大量試驗，得出多個邊界狀態條件，即在不同階次得出不同的振幅值，利用式（1）和式（2），反推得出針對所研究系統的參數N0和K 的值[11]。

圖4 圓度傅里葉分析報告

圖5 齒面FFT 分析報告

3.4 改善效果及驗證確認

3.4.1 齒面振紋的改善效果

齒面振紋是一個難以改善的難題，但一般只有當加工條件發生變化時才會產生，變化點管理要求必須做到固化加工條件，其中包括設備、工裝、砂輪，加工參數等[12]。文章通過調整砂輪頭數和提高主軸間隙的措施，消除了齒面振紋。對82 階次進行切片分析可知：齒面振紋改善后振動明顯減小，如圖6 所示，并且在NVH檢測設備的圖譜上無明顯階次線，嘯叫噪聲消失，如圖7 所示。

圖6 切片噪聲對比圖

圖7 NVH 圖譜

3.4.2 內/外圓振紋改善效果及驗證

采取上述改善方案，對內/外圓振紋改善效果明顯，針對高階次突變型的振紋，拋光工藝能夠徹底解決。不管是使用專門的NVH 檢測設備，還是主觀聽力判斷，對于振紋類產生的嘯叫，低轉速時嘯叫一般都不明顯，隨著轉速升高，嘯叫噪聲越大；對于低階次振紋，即使振幅很大也不會產生嘯叫，各階次振紋產生嘯叫的情況，如圖8～圖12 所示。

圖8 低階次振紋與NVH 情況

圖9 高階次（129 階次）振紋與NVH 情況

圖10 高階次（130 階次）振紋與NVH 情況

圖11 中等階次（71 階次）振紋與NVH 情況

圖12 拋光件與NVH 情況

從振紋與嘯叫的驗證關系來看，對于高階次振紋，當其幅值為0.16 μm 時即產生嘯叫，對于低階次的振紋即使達到0.6 μm 也不會產生嘯叫，嘯叫與高階次振紋存在強相關性。

4 結論

文章研究嘯叫階次與磨削振紋階次存在強烈的相關性，當振紋幅值超過傳動系統的要求值時（即邊界條件），變速箱總成便會產生嘯叫，且隨著轉速的提升嘯叫噪聲的分貝值也會逐漸增強。此外，結合實際應用，總結出改善振紋的工藝方法，可以為工藝編制人員提供參考，對于NVH 品質控制和初期設計亦具有指導作用。