本文首發(fā)《汽車測試報告》，由作者授權(quán)發(fā)布

摘要：齒輪減重孔是常見的齒輪減重方式，但是減重孔的存在可能會引起減速箱NVH的問題。該文以某輕型新能源車用2級減速箱為例，通過生產(chǎn)EOL（End of Line）NVH測試機發(fā)現(xiàn)問題，從CAE及加工過程兩方面分析問題，再進行樣件加工制作，對引起問題的原因進行驗證，論證齒輪減重孔會導致齒輪形成規(guī)律性特征，從而導致產(chǎn)品出現(xiàn)NVH問題。

關(guān)鍵詞：減重孔；NVH；EOL；輕量化；齒輪加工

作者簡介：
李懷亮，上海納鐵福傳動系統(tǒng)（平湖）有限公司工程師，研究方向為整車NVH性能開發(fā)；
胡偉杰，上海納鐵福傳動系統(tǒng)（平湖）有限公司工程師，研究方向為整車NVH性能開發(fā)；
尹獻杰，上海納鐵福傳動系統(tǒng)（平湖）有限公司工程師，研究方向為齒輪工藝；
郭曉明，上海納鐵福傳動系統(tǒng)（平湖）有限公司助理工程師，研究方向為汽車部件生產(chǎn)加工。

在汽車減速箱中齒輪是重要的零部件，齒輪的輕量化決定著減速箱的輕量化。減重孔是齒輪輕量化的重要方式，但是由于減重孔的存在，在齒輪加工過程中會產(chǎn)生不可避免的齒輪微觀變形，因此在設(shè)計齒輪減重孔時不僅要考慮其對齒面剛度、齒輪強度、齒輪動態(tài)變形等方面的影響，還需要考慮減重孔在機加工過程中可能對齒形產(chǎn)生的影響[1]。

1研究背景

1.1產(chǎn)品簡述

本文研究對象為某輕型新能源車用2級減速箱。該減速箱由輸入軸、中間軸總成、差速器總成等組成。其中，輸入軸上加工了29齒漸開線斜齒輪，中間軸上加工了24齒漸開線斜齒輪，并在其另一端壓裝了83齒漸開線齒輪和輸入軸上的29齒的斜齒輪嚙合。差速器總成壓裝了85齒的漸開線斜齒輪與中間軸24齒嚙合。因此有齒輪嚙合產(chǎn)生的振動階次信息，如表1所示

表1  減速箱齒輪嚙合基本階次信息

1.2 EOL測試機簡述

EOL測試設(shè)備通過模擬減速箱在整車上的裝配及傳動狀態(tài)，在輸入端和輸出端通過臺架電機對產(chǎn)品進行加載及轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)齒輪箱工作狀態(tài)的NVH檢測。

圖1 EOL測試臺架

EOL測試臺架如圖1所示。通過EOL測試臺架模擬整車運行工況，同時在減速箱齒輪嚙合區(qū)上方安裝振動傳感器以采集減速箱工作過程中的振動信號。信號通過傳感器—信號采集儀—數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過數(shù)字信號—模擬量信號—傅里葉變換后得到color map圖、階次譜、階次切片等數(shù)據(jù)，用于問題分析或生產(chǎn)NVH質(zhì)量判斷。

2 問題描述及分析

2.1 NVH測試結(jié)果

圖2為當前問題產(chǎn)品的階次譜。NVH測試軟件通過對時域信號的傅里葉變換，再通過Peak hold的方式提取各階次的極大值，得到包含所有振動階次的階次譜（本文引用數(shù)據(jù)階次譜分辨率為0.25階）。

問題階次4.25階
圖2 階次譜

按照減速箱的組成及齒輪的配對情況（表1），以輸入端為基礎(chǔ)進行階次計算，未發(fā)現(xiàn)與4.25階相關(guān)的機械結(jié)構(gòu)。然而4.25階能量已達到主階次（8.38階）同等水平（圖2），需要進行及時的整改；由此對4.25階問題展開調(diào)查。

2.2問題調(diào)查

通過對臺架傳感器校準、臺架主軸對中校核、臺架軸承檢查等方面排查，排除臺架引起4.25階問題的可能。通過對比多種測試工況、使用其他便攜式NVH測試設(shè)備及軟件進行對標測試，排除了測試問題。最終問題鎖定在產(chǎn)品軸系及軸承等附件上。

對產(chǎn)品所有軸系進行全尺寸測量，發(fā)現(xiàn)中間齒在Fp特征上表現(xiàn)出規(guī)律的波動。經(jīng)對比，該特征在中間齒上表現(xiàn)為12周期（圖3），與中間齒減重孔數(shù)量契合。且經(jīng)過計算，該12周期特征很可能是引起4.25階問題的根本原因。

圖3 中間齒Fp測量報告

計算過程如下：29（輸入軸齒數(shù)）/83（中間齒數(shù)）×12（中間齒規(guī)律）≈4.193（階），由于軟件設(shè)置階次分辨率為0.25階，因此4.193階表現(xiàn)為4.25階。

2.3 CAE仿真分析

在定義各組成子零件的屬性及材料信息機約束狀態(tài)后，依次把產(chǎn)品FEM導入仿真軟件中，在仿真軟件中添加實際齒輪參數(shù)和減速箱輸入扭矩等信息。通過仿真，模擬減速箱受載狀態(tài)下的運行情況（仿真過程對嚙合錯位量、齒輪嚙合接觸過程、潤滑情況、齒輪變形等因素做出理論性假設(shè)）[2]。經(jīng)分析，未發(fā)現(xiàn)由12孔導致的4.25階問題。

2.4 齒輪機加工過程分析

2.4.1漸開線圓柱斜齒輪的加工

齒輪常見的材料為20GrMnTi、20MnGr5等材料，選擇材料后制定加工工藝。一般加工過程為：毛坯加工—初步熱處理—鍛造/沖壓—磨削—滾齒—成形齒熱處理—珩齒/磨齒—打標[3]。

2.4.2對齒輪變形造成影響的環(huán)節(jié)

在研究對象減速箱中間齒輪幅板上均布著12個φ14的孔，整個齒輪是一個扁圓孔體。圓孔類的形狀在成形齒熱處理過程中易收縮[4]。齒輪淬火，產(chǎn)品表層接觸淬火介質(zhì)，產(chǎn)品表層的溫度最低，心部溫度最高，熱應(yīng)力起主導作用，因此中心圓孔和12個均布孔表面遇冷收縮，圓孔受拉應(yīng)力，基體受壓應(yīng)力?？姿闹艿姆迨艿嚼瓚?yīng)力，由于溫度較高，產(chǎn)品塑性高，強度低的心部組織受到壓應(yīng)力。心部在壓應(yīng)力作用下會在軸向產(chǎn)生塑性壓縮，使截面變粗。心部冷到Ms點之后開始組織轉(zhuǎn)變，表面高碳奧氏體轉(zhuǎn)變成高碳馬氏體，組織應(yīng)力占主導作用。根據(jù)熱力學第一定律，受壓應(yīng)力的表層隨著組織的轉(zhuǎn)變壓應(yīng)力重疊產(chǎn)生加強作用，心部受拉。隨著溫度降低，心部組織也轉(zhuǎn)化為低碳馬氏體組織，組織體積脹大，由于已經(jīng)冷卻的表層的屈服強度變高，產(chǎn)品的體積基本不變，表面由受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓚?yīng)力，此時受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用，齒輪產(chǎn)生了變形。與減重孔接壤的齒輪壁較與基體接壤的齒輪壁薄，所以與減重孔連接的齒輪壁被孔收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響沿齒頂圓產(chǎn)生凹陷，與基體連接齒頂圓受壓應(yīng)力沿徑向變粗導致齒頂圓外凸。因此，12個均布的減重孔與12塊基體在熱處理后產(chǎn)生了12個“峰谷”。

通過對比熱處理前后的中間齒檢測報告，推斷熱處理是引起齒輪變形的主要原因。

3 試驗驗證

3.1驗證狀態(tài)描述

根據(jù)推斷，設(shè)計樣件對當前4.25階NVH問題進行驗證。新設(shè)計將原狀態(tài)12個減重孔去除，改為4個φ6的漏水孔，以優(yōu)化零件在熱處理過程中的變形情況。

按照相同齒輪加工工序?qū)π略O(shè)計樣件齒輪進行機加工，測量新設(shè)計樣件齒形報告，如圖5所示。從齒形報告可以看出，去除減重孔的齒輪樣件在熱處理、珩齒后，F(xiàn)p未發(fā)生明顯規(guī)律性變形。

圖5 去除減重孔中間齒樣件Fp測量報告

3.2 樣件驗證

線譜/Eng-DH/Input Shaft（Mix,VSG）/

投入6件去除減重孔中間齒樣件和6件原狀態(tài)中間齒，同時通過自動工序裝配并流轉(zhuǎn)到EOL NVH檢測設(shè)備。對比兩狀態(tài)在問題工況的階次譜，如圖6所示，6件樣件所在減速箱4.25階異常峰值均消失。

圖6 樣件與原狀態(tài)產(chǎn)品的驗證結(jié)果對比

4 結(jié)束語

由于輕量化需求，許多腹板式齒輪在設(shè)計階段都會考慮通過設(shè)計減重孔的方式實現(xiàn)輕量化目標，但由于減重孔的存在，齒輪在加工過程中會因為熱處理變形、齒輪壓裝等，出現(xiàn)不同程度的變形。因此，在設(shè)計仿真階段不僅要考慮到減重孔導致的齒輪剛度變化會在齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)變形影響，同時還需要考慮齒輪加工過程可能對齒輪變形造成的影響，并在設(shè)計階段對此類產(chǎn)品進行充分驗證，避免導致量產(chǎn)后的批量NVH問題發(fā)生。

參考文獻：

[1]郜培麗.淺析電動車減速箱降噪設(shè)計[J].南方農(nóng)機,2017(9):136-137.
[2]周飛.一種專用增程式減速箱的布置[J].汽車工程師,2020(2):19-22.
[3]時磊,殷金祥.積分法相對位移測量在汽車NVH性能開發(fā)中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù),2022(1):132-135.
[4]孟慶栢.純電動汽車整車NVH性能優(yōu)化[D].天津:天津職業(yè)技術(shù)師范大學,2022.

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