齿轮噪声激励的根本原因
坎贝尔图
齿轮噪音是一种空气传播的声音。车辆的零部件会发生振动并发出在空气中传播的声音。为尽量减少空气传播的声音，可采取主动和被动降噪措施。主动措施侧重于找出根本原因，使振动最小化，而被动措施则处理优化从振动源到人耳的声学传递路径。
本文通过关注齿轮啮合的激励的主动措施，来降低齿轮传动的噪音问题。
并不是每一种齿轮啮合激励在噪声传播方面都显得至关重要。只有齿轮啮合频率激励了总成的固有频率时，才会产生结构承载噪声(SBN)。SBN是否会转换为空气噪声取决于声学传播路径。
齿轮啮合激励与传动零件的特征模之间的相互作用可以在图1所示的坎贝尔图中看出。
图1 坎贝尔图
图1所示显示了传动过程中SBN的扫描速度。图中横轴表示输出轴的速度，纵轴表示SBN的频率。颜色越浅，由结构产生的噪声的振幅就会越高。
坎贝尔图中的水平线是装配的基础模态。它们的频率是恒定的，并且垂直于传动的速度。上升的线是齿轮啮合效果。稍倾斜的线是齿轮啮合的第一阶次谐波，较倾斜的线是齿轮啮合的更高阶次谐波或幽灵频率。
临界齿轮啮合激励只有那些倾斜线穿过水平线的情况。在这里，齿轮啮合激励刺激传动的特征模式，根据声传输路径，SBN将转换为可听到的空气噪声。
齿面形貌的修正和失配啮合
齿面啮合激励的原因是什么?在一个完美的渐开线齿轮廓的情况下，齿面啮合传动误差将为零，即不存在激励。由于制造误差和载荷引起的变形，会使得未修型的渐开线轮廓和未修型的齿向啮合出现边缘接触。应用图2所示的齿面形貌修型可以保证在所有条件下良好的齿面接触。
图2 齿面形貌修正
特别是齿顶修缘Ca和齿根修缘Ce广泛用于优化。齿廓鼓形Ca和齿长鼓形Cβ对齿轮啮合传动误差有显著影响，应保持较小的数值。
很明显，齿轮设计工程师必须降低齿轮啮合传动误差和齿轮承载能力所需的齿轮齿面修型数值和类型。齿轮对位移和载荷引起的偏载高度不敏感，需要更大的修型量。因此，它们提供了一个较大的齿面啮合误差与更高的激励到其他装配零部件中。
齿轮噪音测试
无加载啮合
在批量生产中，齿轮通常符合其几何公差要求，但有些齿轮在噪声测试中会不被通过。如果在最后的总成测试中发现这种情况，通常会需要耗费较大成本进行拆解，以及进行原因分析。为了避免在最后装箱后发生这种情况，需要寻找一种在装配前就能发现相关问题的方法。图3显示了一对齿轮在啮合过程中的不同影响情况。
通过无加载啮合测试可以发现三组影响的参数：
齿面加工过程中的一些缺陷;
负载引起的位移和偏转;
变速箱总成的阻尼特性。
当加工过程中某一个批次的某些齿轮在噪音中表现为不可接受的现象时，需要在制造和装配中考虑进行相关更换。更换前后，阻尼特性和材料特性不会显示出实质性的影响，但在齿轮加工过程中会发生齿面形貌的变化修正和额外的加工缺陷。
图3 齿轮啮合过程中的影响因素好消息是，未加载的齿面啮合足以预测噪声情况。所有齿面几何形状的变化都可以在非加载齿面啮合检测中检测到。图3以红色显示了齿面啮合对噪声激励的关键影响。
波纹度分析
齿轮检测和闭环应用控制现在已经被广泛应用，成为了一个较为完美的齿面精确修型方式。然而，较小的表面缺陷并不是齿轮检测方面研究的重点。特别是，规则的表面缺陷在噪声激励方面是很复杂的。计量评价标准中的齿形和齿向误差只是检测波形等规则表面缺陷的基本方法。
滚动测试
齿面二维分析测试
齿轮测量机必须能够检查振幅到100nm的波形。如果存在一个有动力的测量装置，波纹度分析是检测噪声临界齿轮的最合适工具。当然，必须给出传动噪声和顺序的波形振幅之间的相关性。
SFT-单齿面分析测试
在SFT中，被动齿轮和主动齿轮处于准静态齿面啮合中。高分辨率编码器捕获被动齿轮和主齿轮的旋转位置。SFT的结果是由齿数和捕获的角度位置给出的旋转位置的差异。SFT显示了啮合传动精度的质量。这种准静态测量原理的优点是重复性高，对不同测试设备的一致性较高。
图4 齿轮啮合检测中SFT检测
图4显示了一个有37个齿的齿轮的SFT结果。啮合传动误差为黑色曲线。为了便于理解，将啮合传动误差分解为蓝色长波内容和绿色短波内容。
SFT可以精确地检测齿面啮合的偏差。然而，SFT只适用于较低转速的情况，因为不允许产生相关效应，以避免测试设备对啮合传动误差结果的影响。即使是SFT也比齿轮检测机上的波纹度分析要快得多。尽管如此，在大多数情况下，SFT还是不能支持用齿轮加工机床和SFT测试仪的1：1的比例对所有齿轮进行100%的检查。
SBN结构噪声
与SFT相比，SBN是一种非常快的方法。测试的齿轮转速为500到2000rpm。振动传感器记录SBN测试设备的振动。尽管这个测试原理关注的是齿轮环境的激励特征模式，但与真正的变速箱还是有所不同。SBN不是激励齿轮箱组件的基本结构模态，而是激励测试设备的结构模态。然而，SFT给出了一个明确的指示，关于齿轮啮合的基本模态，特别是对于更高的频率范围。
TAT扭转加速度试验
扭转加速度测试以相同的速度运行，如SBN测试状态。与SBN的区别在于用于捕获振动的传感器设备的类型。SBN处理的信号来自于三轴加速度传感器，而TAT使用工件和齿轮主轴中的旋转加速度计进行测试。TAT只记录由齿面啮合引起的旋转加速度。因此，测试设备的动态影响产生的效果要小得多。为了在不受测试设备影响的情况下获得扭转加速，需要计算SFT结果的二阶导数—由于SFT的准静态条件，测量时间较长。
齿轮噪声的描述
阶次谱
SFT、SBN和TAT的结果显示了在工件和标准齿轮的不同旋转位置上各自的传感器数据。为了得到定量的数值，采用傅里叶变换得到一个阶次谱。而不是观察每个旋转位置的偏差，阶次谱告诉我们，每旋转一个事件发生的频率以及这个事件有多大。图5显示了图4所示的SFT结果的顺序谱。
图5 阶次谱
阶次谱提供了一个详细的齿面啮合动作的内容。在图5的例子中，37阶的峰值和倍数的峰值是齿面啮合阶次。这些阶数的振幅主要来自于齿面形貌的修改。齿面啮合阶次之间的阶次是所谓的幽灵阶次，也就是鬼阶，只有加工缺陷才会导致鬼阶的出现。
例如，第一阶次来自工件跳动。这一事件没旋转一圈都会发生一次。接近齿面啮合阶次的阶次误差是由分度误差引起的所谓的边频。在148到185之间的鬼阶是由附属的额机械动力学或外部环境对机械基础振动的影响引起的。齿轮的阶次谱谱一般显示出一个多种阶次混合的特性，并创造出来较为恼人的噪音体验。我们的目的是设计一个阶谱，使其具有较低的齿面啮合阶次误差，较低的边频和较高的鬼阶数，占齿面啮合引起的振动能量的一定比例。
心理声学指标
由齿面啮合激励的振动能量分布在一个阶次谱的所有阶上。一个没有任何加工缺陷的齿轮显示了一个没有边频和没有鬼阶的阶次谱。这里的振动能量只能分布在齿面啮合过程上。即使是这样一个齿轮的低声压级也会给人一种恼人的声学体验。带有边频和鬼阶的阶次谱会产生更高的声压级，但声音感知可能对耳朵不那么不愉快。
变速箱的噪音比大多数其他车辆的声音要安静得多。然而，它是一个恼人的噪音，因为它的音调特征。应用心理声学特性的目的是通过使用数学方法匹配主观评价与客观可测量变量的主观印象。
齿轮噪音的典型表现是鸣响、啸叫和敲击。当应用心理声学原理时，只有这些特性与典型的齿轮噪声相关。因此，重点要关注以下四种心理声学特性。
响度：是一种声音的感知强度，意味着声音在单位面积的密度。在声学中计算响度时考虑了频率、带宽、时间长度和声压级。声音中的响度与人耳的声音强度的感知成正比。
音调：音调的计量单位为梅尔Mel，代表着声音的频率。当单频率或窄频噪声出现时，物体产生的音调变高。声性与主观声音感知的烦恼相关。
波幅：描述了一个声音的频率很接近时的减少和增加。这种效应被认为是一种脉动声或嗡嗡声，并引起警觉性。波动强度的单位为Vacil。
锐度：如果噪声激励迅速变化并且保持到一个较高的频率，会对人产生一种粗糙的声音印象。锐度的计算是基于响度的频谱中心。锐度的单位是Acum。
用简单的公式是不可能计算这些属性的。需要复杂的算法。除了基于阶谱对这四个心理-声学参数进行数学评价外，还有一种易于理解的相关性方法。
-振幅的水平与响度相关。
-如果单个阶数在频谱中是突出的，那么音调会变得很高。
-一个较高的波动振幅表明，较低的阶次有一个高振幅引起的嗡嗡声。
-一个高锐度是能够很清晰的提示，振幅的边频太高了。
心理声学特性有助于解释SFT、SBN或TAT关于预期的潜在人类噪声感知的阶次谱。
影响齿轮噪声的因素
在设计阶段的响度
在设计阶段定义了齿轮传动基本噪声行为。宏观几何形状和齿面微观形貌决定了齿轮啮合阶次的振幅。在设计阶段，为了提高响度的心理声学特性，必须使齿轮啮合传动误差最小化。需要抵消齿面微观形貌的修正，以应对负载和加工后齿轮公差引起的位移和偏转。
在应用齿面微观修型之前，需要正确设计齿轮尺寸。高接触比可以使得齿轮同时啮合的齿数增多。这使得齿面负载能够被分摊，从而提高了承载能力和降低了齿面传动误差。影响接触比的设计参数为齿高、螺旋角和模数。如果宏观设计做得不好，那么后期的噪声优化将不会成功。
制造过程中的音调、波动振幅和锐度
在对齿轮噪音敏感的情况下，如在电动汽车中，经常发生所有齿轮精度都符合公差要求，但其中总有一些在齿轮箱最后的下线测试环节没有满足要求。由于在设计阶段，已经对于预期噪音有了相关要求，因此原因可能是处在齿轮的某个制造环节。
与设计完全相对应的齿轮将只显示具有低声压级和高音调的齿轮啮合情况。在实际制造过程中，完全消除和最小化齿轮啮合阶次的振幅是不可能的，但掩盖部分噪声将有助于改善主观的听力印象。部分掩蔽降低了噪声的响度，但并没有完全掩盖它。
添加低振幅鬼阶和低振幅边频有助于部分掩蔽噪音。在齿轮传动系统进行声学吸收的情况下，齿轮啮合的振幅将大幅减少，但将会突出具有高振幅的边频阶次。这样的阶次谱具有很高的锐度，而且会很烦人。作为一个次要效应，波动振幅在嗡嗡声中是高度可见的。
影响阶次谱只有在影响齿面几何形状时才会起作用。由于齿轮几何形状和齿轮质量直接相关，挑战在于找到不降低齿轮质量而是提高部分掩蔽效果的措施。在下面的段落中，制造技术的重点是展成磨削。
影响齿轮齿面的表面结构需要对磨削蜗杆进行特殊的修整操作。在磨削过程中调节修整滚轮和磨削蜗杆的周向速度比时，通过向齿轮齿面向下移动引起对磨削蜗杆的表面效应。磨削蜗杆的某些部分具有较高的切削能力，有些较低。对齿轮齿面的几何效应将在不到一微米的范围内，因此不会影响质量参数。
图6显示了修整后的磨削蜗杆表面对齿轮齿面的影响。
图6 单头蜗杆齿轮表面修整
图6中的左图显示了一个单头磨削蜗杆砂轮的一个升程。这些颜色代表了磨削蜗杆的表面修整情况。中间的图片显示了一个齿面的表面纹理与一个结构平行于齿根和齿顶。右图显示了一个齿面的表面倾斜的纹理。
只有一些参数会影响齿轮齿面的纹理：
在修整过程中，磨修正轮和磨削蜗杆的速度比变化越大，纹理的大小就会增大。
当速度比在修磨周期中变化时，纹理结构的密度变得更加复杂。
纹理的倾角随着每一工件旋转的位移量的增加而增大。
到目前为止，这种方法将创建相同的轮齿，因此只会影响齿轮啮合的频谱。大幅度和高密度的结构将增加齿轮啮合高阶的振幅。一个模糊的纹理散布在所有的轮齿上，就会产生鬼阶。使用一个三头的磨削蜗轮会创建一个模糊的纹理，如图7所示。
图7 多头蜗杆磨削齿轮齿面修型
磨削蜗杆的磨削蜗杆头1将在齿1上退出后，在齿2上启动蜗杆头2，在齿3上启动头3，以此类推。在工件旋转一次后，磨削的蜗杆砂轮由于沿蜗杆和齿面最后接触位置的宽度的行程运动而工作。现在开始头2在齿1上开始磨削，在头2上开始磨削齿3，在头3上开始磨削齿1，以此类推。当磨削蜗杆退出齿轮时，每个齿面都有略微不同的表面纹理，因此在阶次谱中产生了鬼阶和低振幅的边频带。
通过这种被称为安静表面漂移技术(QSS)的磨削技术，可以产生最高质量的齿轮，提高响度、音调、波动振幅和锐度的心理声学值，从而减少传动的噪音干扰。
总结
像声压水平这样的物理测量并不适合用于预测主观的听力体验。心理声学原则允许通过使用数学方法匹配次主观评价与客观可测量的变量来客观化主观印象。滚动测试提供了由阶次谱表示的客观可测值。安静的表面位移(QSS)技术允许在不影响齿轮质量的情况下，提高相关的频谱参数的响度、音调、波动振动和锐度。