Контроль шума и вибрации зубчатых передач в трансмиссиях

Контроль шума и вибрации зубчатых передач в трансмиссиях электромобилей

Электроприводы устранили маскировку двигателя. Без шума сгорания, за которым можно спрятаться, каждый вой, писк и дребезг внутри редуктора становятся слышны водителю. Для производителей зубчатых колёс и сборщиков редукторов это смещает инженерный фокус с одной лишь несущей способности в сторону поведения возбуждения — того, как само зацепление генерирует вибрацию, и насколько жёстко должна выдерживаться геометрия, чтобы это возбуждение оставалось низким.

В этой статье описаны механизмы возникновения шума зубчатых передач в трансмиссиях электромобилей и практические рычаги, доступные в проектировании, производстве и контроле.

Почему редукторы электромобилей акустически отличаются

Силовая установка с двигателем внутреннего сгорания работает на холостом ходу около 700–900 об/мин и на крейсерской скорости при 2000–3000 об/мин. Синхронный двигатель с постоянными магнитами может вращаться от нуля до 15 000 об/мин и более, и он выдаёт крутящий момент почти мгновенно. Из этого следуют два последствия.

Во-первых, частота зацепления проходит через широкий диапазон при каждом ускорении. Пара зубчатых колёс, которая тиха при 3000 об/мин, может издавать отчётливый вой при 9000 об/мин, если в её погрешности передачи есть гармоника, совпадающая со структурным резонансом корпуса.

Во-вторых, пульсация крутящего момента двигателя и переключение инвертора возбуждают трансмиссию на частотах, не связанных с зацеплением. Пара зубчатых колёс действует как фильтр, а иногда как усилитель. Именно поэтому редукторы электромобилей часто используют две ступени с тщательно подобранными передаточными числами, и поэтому доминируют косозубые колёса: коэффициент перекрытия косозубого зацепления распределяет контакт по большему числу зубьев, сглаживая передачу нагрузки, которую прямозубая пара выполняет резко.

Коренные причины воя зубчатых передач

Шум зубчатых передач вызван не «шероховатыми зубьями» в общем смысле. Он вызван погрешностью передачи — разницей между идеальным угловым положением выходного колеса и его фактическим положением при вращении входного. Каждое отклонение геометрии боковой поверхности зуба, шага и направления зуба вносит свой вклад.

Основные факторы:

• Отклонение профиля зуба — погрешность угла давления, слишком малая или слишком большая модификация головки, и бочкообразность профиля, не соответствующая приложенной нагрузке.
• Отклонение направления зуба (винтовой линии) — несоосность между колесом и сопрягаемой деталью, будь то от изготовления или от прогиба вала под нагрузкой.
• Отклонение шага и накопленная погрешность шага — они создают составляющие с частотой один раз за оборот и низкого порядка, которые воспринимаются как рычание, а не как вой.
• Биение и эксцентриситет — эксцентриситет посадочного отверстия относительно делительной окружности создаёт сильную составляющую первого порядка.
• Чистота поверхности — шероховатость боковой поверхности выше примерно Ra 0.4 µm на шлифованной поверхности добавляет широкополосное возбуждение, особенно на высоких частотах зацепления.
• Пятно контакта — краевой контакт концентрирует нагрузку и повышает местный прогиб, что проявляется как резкий пик в спектре.

На практике вой на частоте зацепления и её гармониках указывает на проблемы профиля и направления зуба. Рычание на одной или двух частотах вращения вала указывает на проблемы шага, биения или балансировки.

Производственные рычаги, которые реально меняют цифры

Шлифование зубьев и модификация профиля

Для редукторов электромобилей шлифованные боковые поверхности — это норма, а не исключение. Профильное шлифование и обкатное шлифование оба позволяют контролируемо выполнять модификацию головки и ножки, а также продольную бочкообразность для компенсации прогиба вала. Цель — пятно контакта, которое остаётся центрированным во всём диапазоне нагрузок, а не только при контрольной нагрузке.

Контроль коробления при термообработке

Цементация даёт поверхностную твёрдость и вязкость сердцевины, необходимые высокомоментным зубчатым колёсам электромобилей, но она также деформирует деталь. Коробление, не исправленное после термообработки, проявится напрямую как погрешность направления и профиля зуба. Обычны два подхода: шлифование после термообработки или использование контролируемой закалки под прессом с известной компенсацией коробления, заложенной в геометрию до термообработки. Азотирование даёт меньше коробления, но более тонкий слой, что подходит для некоторых ступеней с меньшим крутящим моментом.

Качество сопряжения вала и корпуса

Идеальное колесо на эксцентричном валу всё равно работает шумно. Соосность отверстия относительно делительной окружности, прямолинейность вала и посадка между колесом и валом — всё это важно. Для шлицевых соединений боковой зазор и совмещение направления шлицев влияют на посадку колеса. Именно здесь окупается интегрированное производство колёс и валов в рамках одной технологической цепочки — см. обзор возможностей о том, как выстроены токарная обработка, шлифование и зубонарезание.

Сборка и предварительный натяг

Предварительный натяг подшипников, подбор прокладок и соосность отверстий корпуса задают окончательное совмещение зацепления. Пара зубчатых колёс, которая хорошо измеряется на испытательном стенде, всё равно может быть шумной в агрегате, если сборочные размерные цепи наклоняют вал.

Контроль: что измерять и почему

Проблемы шума зубчатых передач редко решаются одним лишь контролем, но почти никогда не решаются без него. Измерительный центр для зубчатых колёс, который выдаёт профиль, направление зуба, шаг и биение по допускам DIN, ISO, AGMA или GB, даёт производственному инженеру прямую связь между спектральным пиком и конкретным отклонением.

Полезные практики:

• Измеряйте пятно контакта при лёгкой нагрузке в дополнение к отчёту по геометрии. Геометрия говорит, как выглядит боковая поверхность; пятно говорит, как она себя ведёт.
• Отслеживайте единичный шаг и накопленный шаг отдельно. Они определяют разные порядки шума.
• Фиксируйте шероховатость поверхности на боковой поверхности как переменную контроля процесса, а не только как финальную проверку.
• Для высокоскоростных ступеней рассматривайте результаты однопрофильного обкатного контроля, которые отражают совместный эффект обоих элементов пары.

Рабочий процесс качества и контроля на предприятии по производству точных зубчатых колёс обычно объединяет измерительный центр для зубчатых колёс, КИМ, приборы для измерения круглости и шероховатости и проверку твёрдости, с отчётами по материалу и термообработке, выдаваемыми вместе с размерными данными.

Практические точки выбора для электромобилей и высокоскоростных применений

При задании зубчатых колёс для электропривода или высокоскоростного редуктора эти вопросы определяют результат:

1. Какова максимальная частота зацепления, и совпадает ли она со структурным резонансом? Если да, класс точности и модификация профиля должны быть ужесточены, или передаточное число изменено.
2. Доминирует ли в спектре нагрузок один крутящий момент или он широко варьируется? Бочкообразность и модификация оптимизируются для диапазона нагрузок, а не для одной точки.
3. Какой класс точности достижим в производстве, а не только в прототипе? Стабильный DIN 4–5 в серийном производстве со шлифованными боковыми поверхностями, достигающими DIN 4-5 там, где требуется, — реалистичная цель для хорошо контролируемых процессов.
4. Как будет базироваться колесо? Посадка по отверстию, по шлицам, на шпонке или цельный вал. Каждый вариант по-разному влияет на совмещение направления зуба.
5. Какая документация необходима? Сертификаты на материал, отчёты по термообработке с твёрдостью и глубиной слоя, размерные отчёты и отчёты по точности зубчатых колёс — стандартные deliverables для заказчиков трансмиссий.

Для нестандартных форм зубьев, модифицированных профилей или цельных деталей «колесо-вал» маршрут изготовления зубчатых колёс на заказ позволяет настроить геометрию зубьев под конкретную цель по шуму и нагрузке, а не выбирать из каталога. Такие области применения, как трансмиссии электромобилей и автомобилей, робототехника и промышленные редукторы, имеют разные приоритеты — сочленение робота заботит мёртвый ход и повторяемость, редуктор заботит КПД и шум.

Резюме

Шум зубчатых передач в трансмиссиях электромобилей — это проблема погрешности передачи, выраженная в частотной области. Управляемые переменные — это микрогеометрия боковой поверхности зуба, коробление при термообработке, совмещение вала и корпуса и предварительный натяг при сборке. Шлифование с намеренной модификацией профиля и направления зуба в сочетании с коррекцией после термообработки и дисциплинированным контролем — практический путь к тихому зацеплению. Поскольку акустическая цель задаётся всей системой, наиболее эффективные обсуждения происходят рано — между проектировщиком редуктора, производителем зубчатых колёс и командой контроля — до того, как нарезан первый зуб.

Просмотрите ассортимент продукции для стандартных и нестандартных компонентов трансмиссий или ознакомьтесь с технической библиотекой для связанных заметок о процессах. Чтобы обсудить конкретное применение зубчатого колеса или вала, свяжитесь с инженерной командой, указав ваш случай нагрузки, передаточное число и акустическую цель.