電動(dòng)汽車對(duì)于安裝在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪有著很高的要求。
其要求在力的兩個(gè)方向上都達(dá)到工作載荷極限，并在整個(gè)載荷譜范圍內(nèi)盡可能降低噪聲激勵(lì)。這就使得對(duì)修形和形狀誤差的公差要求變得更加嚴(yán)格。
為了確保在組裝完成的傳動(dòng)系統(tǒng)中不出現(xiàn)噪聲，KLINGELNBERG（克林貝格）公司為錐齒輪和圓柱齒輪提供了零部件層級(jí)的EOL檢測(cè)方案。
圖1：電驅(qū)傳動(dòng)
多年來，汽車傳動(dòng)系統(tǒng)一直得以成功生產(chǎn)和使用。這主要?dú)w功于以下兩個(gè)原因：首先，傳動(dòng)系統(tǒng)可以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)速和扭矩，滿足驅(qū)動(dòng)輪需求。其次，調(diào)整速比有助于確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，從而提升驅(qū)動(dòng)效率。第二點(diǎn)促使傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置中的齒輪數(shù)量不斷增加，進(jìn)而優(yōu)化了齒輪比范圍。
汽車傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)眾所周知的領(lǐng)域
如果用電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)，電機(jī)將可以提供更大范圍的轉(zhuǎn)速和扭矩。這將大大降低對(duì)傳動(dòng)比的需求，甚至可以從輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需任何齒輪箱或齒輪。然而，由于經(jīng)濟(jì)原因，通常需要使用高轉(zhuǎn)速電機(jī)，因此仍然需要至少一個(gè)傳動(dòng)比。這就造成了與內(nèi)燃機(jī)概念有兩個(gè)顯著區(qū)別。首先，轉(zhuǎn)速會(huì)明顯提升；其次，通常只需要一個(gè)傳動(dòng)比來平衡發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪。額外的傳動(dòng)比只能提高效率。
電動(dòng)汽車特性
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的變化對(duì)傳動(dòng)究竟意味著什么呢？最明顯的變化就是內(nèi)燃機(jī)被電機(jī)所取代。結(jié)果就是車內(nèi)可清晰聽到的噪聲源將得以消除，大大提升乘客的舒適性。然而，之前的次要噪聲源（包括傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲源）將被聽到。高轉(zhuǎn)速激勵(lì)了低階頻率，從而可以被人耳聽到。在極端情況下（例如：輸入軸的跳動(dòng)），會(huì)在聲譜中產(chǎn)生激勵(lì)并引起噪聲問題。
電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)獨(dú)特之處在于能量回收（即：能量再生）。電機(jī)在反向運(yùn)行（由車輪驅(qū)動(dòng)）時(shí)可充當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。這樣就可以借助電機(jī)將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，為電池充電，而不是在制動(dòng)盤上轉(zhuǎn)化為熱能。然而，所需的扭矩是通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的，這意味著傳動(dòng)系統(tǒng)在反向運(yùn)行時(shí)會(huì)承受很大的載荷。對(duì)于齒輪而言，邊緣側(cè)也要承受很大的載荷。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。
概述
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變化及其后果
用電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)
......消除內(nèi)燃機(jī)帶來的噪聲，但之前的次要噪聲源（例如：傳動(dòng)系統(tǒng)）將發(fā)揮更大作用；
......在反向運(yùn)行中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)因能量再生而承受高載荷；
......在整體載荷譜內(nèi)降低噪聲激勵(lì)的要求；
所有這些因素必須在齒輪設(shè)計(jì)中加以考慮。
齒輪滾動(dòng)檢測(cè)可防止噪聲僅在組裝傳統(tǒng)系統(tǒng)中進(jìn)行產(chǎn)線終端測(cè)試時(shí)才顯現(xiàn)出來。
研發(fā)和生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)
與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車的獨(dú)特性給傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)。能量回收或能量再生會(huì)在齒輪的非工作齒面產(chǎn)生高載荷。在傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置中，這些非工作齒側(cè)用于優(yōu)化傳動(dòng)側(cè)的自由度。非對(duì)稱齒輪就是一個(gè)極端的應(yīng)用示例。在這種情況下，高載荷傳動(dòng)側(cè)的壓力角將會(huì)增大，進(jìn)而提高工作載荷極限，最終減小低載荷側(cè)的壓力角。如果在傳動(dòng)側(cè)施加高載荷，這種折中方案將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這必將導(dǎo)致出現(xiàn)更嚴(yán)格的修形公差以及兩個(gè)受力方向上的工作載荷極限。
此外，還有噪聲方面的要求。在傳統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪只需在極低載荷的滑行模式下保持安靜即可。如果現(xiàn)在引入能量再生，則需要在整個(gè)載荷譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲激勵(lì)。由于不再有內(nèi)燃機(jī)的噪聲干擾，對(duì)噪聲性能的要求也大大提高。除了前面提到的更為嚴(yán)格的修形公差外，形狀誤差公差也變得更加嚴(yán)格。因此，生產(chǎn)過程面臨的首要挑戰(zhàn)就是在公差減小的情況下仍要確保工藝能力和質(zhì)量，盡可能降低報(bào)廢成本。
另一個(gè)重要因素就是生產(chǎn)過程對(duì)齒輪噪聲特性的直接影響，這不僅僅是符合公差要求的問題。齒面上的規(guī)則結(jié)構(gòu)（例如：波紋）會(huì)在齒輪中產(chǎn)生所謂的“鬼頻”或“鬼階”。這種波紋幅值通常是亞微米級(jí)的。即使激勵(lì)的噪聲水平很低（例如：在較高的階次中），這些聲音也是非常刺耳的。由于電動(dòng)汽車的噪聲明顯低于傳統(tǒng)汽車，因此必須采取措施確保不出現(xiàn)這些噪聲。
產(chǎn)生波紋的原因是多方面的，迄今為止尚未對(duì)所有原因進(jìn)行充分研究。其中一個(gè)可能的原因就是機(jī)器振動(dòng)。例如，機(jī)器振動(dòng)可能由加工過程引起，也可能由外部激勵(lì)引起。實(shí)際上，在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)鬼階的產(chǎn)生有時(shí)是系統(tǒng)性的，有時(shí)是偶發(fā)性的。由偶發(fā)性引起的階次非常難處理。此外，根據(jù)生產(chǎn)組織的不同，齒輪生產(chǎn)和齒輪箱組裝之間可能會(huì)有一段較長(zhǎng)的時(shí)間間隔。然而，零星出現(xiàn)的噪聲現(xiàn)象通常只能在EOL檢測(cè)裝置上的組裝傳動(dòng)系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)，因此拒收的風(fēng)險(xiǎn)就增加了，同樣返工的需求也增加了。
從其他應(yīng)用中我們可以學(xué)到什么？
如果我們先尋找偶發(fā)性或突然出現(xiàn)的齒輪噪聲現(xiàn)象，然后再尋找系統(tǒng)性出現(xiàn)的噪聲情況，我們就可以在錐齒輪領(lǐng)域找到一些很好的示例。由于齒輪的復(fù)雜性和特殊工藝，磨削錐齒輪特別容易產(chǎn)生噪聲。因此，滾動(dòng)檢測(cè)成為車輛噪聲測(cè)試的一種既定方法。通常情況下，我們?cè)跍?zhǔn)靜態(tài)條件下測(cè)量單齒面誤差范圍，并在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下測(cè)量結(jié)構(gòu)噪聲。在噪聲臨界應(yīng)用中，錐齒輪的測(cè)試率高達(dá)100%。
結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試的魅力在于其接近應(yīng)用場(chǎng)景。大輪和小輪以實(shí)際的轉(zhuǎn)度進(jìn)行嚙合。齒輪副激勵(lì)測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生振蕩，由振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)控。然后，通過傅立葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，并以輸入速度為基準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)換為與速度無(wú)關(guān)的階次頻譜。這一過程與EOL檢測(cè)完全對(duì)應(yīng)，不同之處在于這里只分析制造部件，而不是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。因此，這是在零部件層級(jí)進(jìn)行的EOL檢測(cè)。
在圓柱齒輪生產(chǎn)中的應(yīng)用
HOEFLER（霍夫勒）R 300型圓柱齒輪滾動(dòng)檢測(cè)機(jī)（“齒輪噪聲探尋者”）是我們最新研發(fā)的一款產(chǎn)品。R 300類似于OERLIKON（奧利康）T 60錐齒輪滾動(dòng)檢測(cè)機(jī)，可以對(duì)圓柱齒輪進(jìn)行滾動(dòng)檢測(cè)，其聚焦于齒輪噪聲特性和電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
本設(shè)備開發(fā)的目的是為了在零部件層級(jí)對(duì)圓柱齒輪進(jìn)行EOL檢測(cè)。在后續(xù)的文章中，我們將詳細(xì)介紹KLINGELNBERG（克林貝格）針對(duì)電動(dòng)汽車齒輪制造和品質(zhì)保證所提供的綜合解決方案。
圖2：HOELFER（霍夫勒）R 300型圓柱齒輪滾動(dòng)檢測(cè)機(jī)
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可進(jìn)行零部件層級(jí)的EOL噪聲檢測(cè)
