通过使用电动马达取代内燃机，这种全新的驱动理念消除了汽车中的主要噪音源之一。因此，以前被内燃机优化的声音设计所掩盖的噪音可能会凸显出来。为了说明这一点，下图显示了车内各种噪声源的声压级随车速变化的定性情况。
请注意，变速器的噪音之前是如何被内燃机的声音所掩盖的。发动机声音消失后，变速器的声音就会显现出来。一旦达到一定速度，轮胎与路面接触的声音就会占据主导地位，从而掩盖了变速器的声音。
变速器噪音、磨削技术、机床和数字化的相互作用
可以使用各种方法优化变速器的声谱。根据 VDI 3720 标准，可通过减少声辐射、结构传声或结构传声激励来最大限度地降低噪声排放。前两种降噪方法(辅助措施)包括所有类型的隔声和结构声波阻尼，以及调整受影响部件的结构声传导和辐射的自然振荡行为。降低变速器噪音的最有效方法是尽量减少声音激励(主要措施)本身。轴承、松动部件或最重要的齿轮都会在变速器中产生激励。减少齿轮的激励效果最好。
齿轮激励可能来自啮合冲击激励(偏离理想的齿轮啮合)和齿轮刚性变化(啮合齿数的变化)。由于电动汽车变速箱的负载和转速范围很宽，导致轮齿的变形不同，因此齿轮啮合条件也不同，在变速箱的整个负载范围内，不可能存在最佳的轮齿啮合条件。
使用适当的磨削方法(如展成磨削)，可以非常快速、经济地对齿轮进行硬加工。这种技术可以非常有效地用于齿面修型(鼓形量、修圆、扭曲等)。设计工程师可以利用磨齿机的齿面修形功能，专门设计适用于更宽负载和转速范围的齿轮啮合，以减少齿轮过早啮合变形造成的冲击激励。在磨削项目中，可以设置许多不同的修形，并直接在磨齿机控制系统上进行模拟。通过传统的展成磨削技术，可以轻松、低成本地完成所需的鼓形量、修圆或角度修形。抗扭展成磨削可对扭曲值产生影响。通过对修整和磨削的运动轨迹进行多轴联动，可分别为左齿面和右齿面产生指定的扭曲值。除了生成特定的宏观几何形状和修改之外，精确加工指定的齿轮参数并减少任何微小偏差也至关重要。
利用正确的磨削工具、修整器和磨削参数，可以非常精确地加工出齿面的目标几何形状，从而将轮齿啮合时产生的噪音降至最低。并且可以减少微小偏差，这些偏差虽然仍在公差要求范围内，但客户通常是通过视觉和主观来评估的(如凹鼓形或个别的凸起)。这些改进不仅反映在齿轮测量报告的主观视觉评估中，也反映在触觉频谱分析中，频谱分析显示啮合频率及其倍数的振幅有所降低。
齿面的粗糙度可以通过选择工具和磨削技术来影响。在结构窜刀功能中，窜刀量不断增加，直到展成磨通常产生的表面纹路结构被破坏，取而代之的是不规则的纹路结构。使用超精磨或抛光磨的多步骤工艺，可以经济高效地满足客户对表面质量和粗糙度的严格要求。通常情况下，这需要使用规格不同的两片组合式可修整蜗杆砂轮。粗磨和精磨(标准展成磨削)使用传统的蜗杆砂轮规格，而超精磨和抛光则使用特殊规格。超精磨同样采用陶瓷结合剂砂轮，但磨粒的类型和尺寸不同，可以可靠地实现 Rz = 1 - 3 微米的表面光洁度。
对于更加严格的表面粗糙度要求，可使用有弹性聚氨酯或树脂结合剂结构的砂轮进行抛光磨削。这样就可以实现 Rz < 1 微米的表面粗糙度。因此，该工序有助于提高齿轮箱的效率和使用寿命。
除上述技术因素外，磨齿机本身也是一个关键因素。并必须对其进行了解和优化，才能在波纹度和噪声激励方面获得最佳磨削效果。与轮齿啮合频率或其倍频没有直接联系的直线鬼音阶或边带通常来自磨床。即使是小于 0.1 微米的最小误差偏差，特别是如果这些偏差与齿轮周长的整数有关，也会在齿轮箱运行过程中产生明显的噪音(另见过程监控示例)。一个潜在的原因可能是车轴的驱动装置，包括其测量系统。测量系统的偏差可能会导致最小程度的旋转不均匀，从而造成零部件表面的波纹度。电动机产生的摆动扭矩同样会产生这种影响。轴承或轴的平衡状态也会对噪音产生影响。此外，每台机床都有自己的自然共振，这种共振因机床类型和工件夹紧装置而异。在 Kapp Niles，为了最大限度地减少任何潜在的错误根源，上述要点已经在执行和优化了。
然而，在生产过程中仍会出现偏差。这就是数字化的作用所在--通过最大限度地提高透明度，数字化有助于优化质量。有无数的网络、生产、机器和支持解决方案可以帮助用户进行生产。闭环 是一种数字化工具，已被证明在处理趋势性偏差方面非常重要和有效。通过跨制造商的 GDE(齿轮数据交换)接口，齿轮测量结果以闭环方式反馈给磨床，磨床使用预先选择的公差带，根据测量结果选择修正值并优化磨削过程。如果出现意外的高偏差，则需要机床操作员做出决定。状态监测可对磨床本身的状态进行例行检查和记录。定期自动触发的参考运行可获得反映旋转轴和平移轴状况的参考值。对于高精度工件而言，轴的良好状态至关重要，因为磨损的轴会对磨削效果产生重大影响。工件跟踪是数字孪生系统的一种，是一种能够接收磨削过程中所有信息(工件、技术和工艺数据)的文件。这就实现了可追溯性和信息交换，特别是在不同部门、地点和公司之间(如制造和变速箱装配之间)出现生产不一致的情况下，它还简化并加快了沟通和行动。
可集成到工件跟踪中的一个基本组件是与磨削过程中的振动和不规则现象有关的过程监控数据。下一节将详细介绍这些数据。
噪声相关部件的过程监控
通常情况下，为了评估磨削工艺，需要通过接触性测量对小批样本进行检查，但无法可靠地检测出个别异常值。这就是 Kapp Niles 自己的过程监控系统的用武之地，它可以进行 100% 的实时评估。基于机器控制系统内部信号及其多个加速度传感器的参数，可用于评估磨削和修整过程。
对于修整过程，可编制一个反映整个修整过程的指标，从而同时显示蜗杆砂轮的状况。该指数可在图表中清晰显示，并可与之前的修整周期进行比较。通过这一指标的极限值，可以启动机床的相关程序。此外，还可以直接在机床控制系统中对修整周期的原始数据进行深入分析。
与修整过程相比，磨削过程更为复杂，需要许多不同的特征值才能有效描述。在最简单的情况下，这意味着最大值或平均值。对于与波纹度和 NVH(噪声-振动-声振粗糙度)特性有关的最严格的质量要求，可通过将时间离散的磨削信号分解为频率分量并对其进行分析来获得特征值(见右侧图3)。
这种过程监控方法可与接触式频谱分析、齿轮啮合测试和 EOL(终端)测试台中所使用的方法相媲美。在所有情况下，信号(尽管来源不同)都被分解成频率分量，并与齿轮旋转相关联。以这种方式生成的阶数可以相互关联，并包含类似的信息量。但需要注意的是，与接触式测量不同，这些值并不是绝对值。相反，这些值必须经过统计分析，并与其他测量过程进行比较，以获得有效的极限值。
下面的实例说明了如何有效监控磨削过程中齿轮的噪音特性。在本案例中，通过交叉交换变速箱部件，在 EOL 测试中反复识别异常齿轮。这种异常齿轮以18阶的频率激励变速箱，以至于在车辆中产生了不良噪音。
随后的分析表明，接触式频谱分析和啮合式测试均显示异常齿轮的第 18 阶存在异常。通过Kapp Niles的方法可以对这些测量的原始数据进行更深入的分析。为了优化磨削过程，在相关的磨齿机上安装了过程监控系统。经过几个零件的检查后，就可靠的发现了第 18 阶的异常。
在通过优化转子轴消除了磨削过程中的故障后，从过程监控数据中可以立即看到第 18 阶的显著降低。接触性的光谱分析、啮合测试结果和 EOL 测试都证实了过程监控数据(见下图)。
事实证明，Kapp Niles 开发的过程监控系统能够有效检测磨削过程中产生噪音的零件，可以输入警告或极限终止值。
这些上限值可以在生产中根据好零件和废品通过几何测量过程、滚啮合器测试或EOL测试台的反馈回路来确定。要从根本上解决问题，请咨询 Kapp Niles 的专家，因为这需要对错误分析及其与齿轮相关质量有广泛的经验知识。目前正在进行开发工作，使磨齿机床自动生成新零件的上限值。
结语
目前，随着对齿轮的要求大幅提高，交通领域正在向电力驱动概念转变。为了满足这些要求，Kapp Niles 采取了全面的方法来解决这一问题，并计划继续关注电动变速箱这一主题，进一步开发产品。目前，我们已经能够通过多种技术、优化的磨床、数字化解决方案和训练有素的服务技术人员帮助客户满足电动汽车领域的高要求。
作者
Dr.-Ing. Philip GeilertKAPP NILES GmbH & Co. KG
简介和职位说明
自 2021 年 9 月起：电动汽车领域主管
自 2019 年 9 月起：基础研究项目经理 08/2020: 攻读 "磨齿时高效冷却液供应 "课题的博士学位
01/2016 - 04/2018: 莱布尼茨 IWT(材料导向技术研究所)齿轮技术组组长
02/2012 - 04/2018: 莱布尼茨 IWT(材料导向技术研究所)研究工程师
关于 KAPP NILES
卡帕耐尔斯是一家业务全球运营的集团公司，核心业务是为齿轮和齿形的磨削精加工提供高质量和经济的解决方案，合作伙伴遍布在交通工具，自动化，能源等各个行业企业。
机器，工具，工艺，测量技术的完美结合保证了精确到微米的加工。
参考文献略.