一个经典的案例是,制造过程如何影响齿轮的性能,是在一个更简单的磨齿机上生产齿长鼓形。在斜齿齿轮齿的连续展成磨削过程中,砂轮的运动会导致一个特定的偏差误差,称为“自然扭曲”。这种偏差包括一个扭曲和一个小的覆盖的齿廓鼓形(图4)。现代磨齿机可以弥补制造造成的扭曲,但机械式的磨齿机不能弥补。这种扭曲会极大地影响啮合中的接触区域和激励特性,通常是不被允许出现的。
图4 当采用展成磨削时,因加工鼓形而产生的齿面扭曲
然而,在一个斜齿齿轮在某些情况下,齿面扭曲有时是故意被使用的一种修型。这表明,由制造引起的扭曲有时是有用的。如果设计软件能够在接触分析中计算并考虑由机械制造引起的齿面扭曲,则可以在齿轮尺寸设计阶段包含由此产生的制造偏差。这大大简化了磨削过程,并更容易实现的目标齿廓。
齿轮齿廓设计时对生产过程的考虑
如上所述,在调整齿轮齿的几何形状和修型时,考虑制造材料的性能是有用的。不同制造方法也会影响成本,因此可能非常重要,特别是在较大的批量生产的情况下。例如,对于大批量生产时,齿轮珩齿工艺是一种非常具有成本效益的方法,但只能使用最大的模数为6mm。另外,与使用切削刀具相比,车齿加工是一种非常有效的方法,但有必要检查工件和工具是否会碰撞。
然而,通常情况下,齿轮设计师在生产方面没有足够的专业知识来克服不同工艺中固有的限制。由于这个原因,KISSsoft努力在其尺寸调整软件中集成生产专业知识。该软件的作用可以完成在设计师不知道的细节的情况下检查一种特定制造方法的通用性。例如,应该避免让设计者被要求进入一个他可能不知道的车齿刀具的轴的直径。这使得制造验证项目的发展成为一个挑战。
现在的KISSSOFT软件已经归属于GLEASON,所以,可以在设计时与制造工艺进行更加紧密的结合。
制造质量对于NVH性能的影响
问题的产生
如前所述,如果要生产预定义的齿面修型,特别是精确地齿形修正,可能是比较困难的。当然,设计者希望根据所定义的齿面修型,例如,特别是为电动汽车应用的低振动的齿轮修型参数,能够进行大批量准确的生产。
在实践中,特别是齿廓形式的偏差,往往受到很大的限制。在这增加了周期时间,从而增加了制造成本。这就回避了一个问题,即关于所需的高质量是否真的产生了任何真正的改进。例如,一个大尺寸的齿面形貌修正是否比减少允许的制造误差更有效。当齿面齿廓和齿长方向利用齿轮检测机进行测量分析时,相关信号总是分散的,通常覆盖一个基本波形。因此,波纹的数量直接影响所产生的齿廓和齿长方向的偏差。
合乎逻辑的是,齿面的波纹是,或可能是引起振动的原因。另一方面,也证实了振动激励不一定与波度的振幅或长度成正比。一定程度的波纹甚至可以改善噪声特性。这已经在TU Munichs FZG(齿轮研究中心)的测试中进行了研究,相关研究已经证明了通过精确预定义的波形可以显著降低噪声。
这就产生了一种思路,即在理论上最佳大小的轮齿上施加额外的波纹(有无修型都进行分析),然后测试这种设计对所需性能的影响。首先,应该在理论上用接触分析(载荷下)研究无误差状态下的齿轮副,以确定通常的摩擦特性,如传动误差、激励力、赫兹压力、效率损失等。之后,对轮齿施加额外的波纹度,再次进行重复计算,并确定与第一次计算结果的偏差。波度的数量级应对应预期的精度等级(如根据ISO 1328)的标准定义偏差(齿长和齿廓方向)。
计算中的应用
为了能够执行此计算,在KISSsoft中的“制造”选项卡中添加了一个表。(图5),用户可以在其中对制造设备进行设置(图6)。
图5 KISSsoft软件中的“制造”模块相关内容
图6 KISSsoft中不同波纹度的选择
制造形式的偏差可以模拟为齿廓方向、齿长方向或用于制造齿轮的刀具的法向偏差,如表1所示。输入内容也可以通过多次输入偏差来累积。
表1 波纹度的定义
与确定波纹度对啮合的影响有关的一个重要问题是,制造产生的波纹可能因不同的轮齿而存在差异异,或因不同的工件而存在差异。波长、波起始点(图7)和振幅将不断变化。
图7 齿廓图形中的波纹度显示
这在齿轮测量机的分析中是显而易见的。因此,必须进行大量的计算来分析这些参数的差异和离散性。我们分析产生振幅、长度和起始有效值的不同的加工变量。对每个变量进行接触分析,以计算出最重要的结果,然后进行显示出来。
图8 脚本程序中提取
要完成这一过程,通常我们将需要大量的时间来一步一步地进行手工计算。集成到KISSsoft中的脚本语言的使用在这种情况下是一个很好的解决方案。执行计算的工程师可以使用脚本编辑器在软件中编写和运行他们自己的功能。这使得针对不同波纹的接触分析可以自动计算很多次,并将不同结果进行比较和显示。