電動汽車對于安裝在動力傳動系統(tǒng)中的齒輪有著很高的要求。
其要求在力的兩個方向上都達到工作載荷極限，并在整個載荷譜范圍內(nèi)盡可能降低噪聲激勵。這就使得對修形和形狀誤差的公差要求變得更加嚴格。
為了確保在組裝完成的傳動系統(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的EOL檢測方案。
圖1：電驅(qū)傳動
多年來，汽車傳動系統(tǒng)一直得以成功生產(chǎn)和使用。這主要歸功于以下兩個原因：首先，傳動系統(tǒng)可以平衡發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)速和扭矩，滿足驅(qū)動輪需求。其次，調(diào)整速比有助于確保發(fā)動機始終在最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，從而提升驅(qū)動效率。第二點促使傳統(tǒng)驅(qū)動裝置中的齒輪數(shù)量不斷增加，進而優(yōu)化了齒輪比范圍。
汽車傳動系統(tǒng)是一個眾所周知的領域
如果用電機取代內(nèi)燃機，電機將可以提供更大范圍的轉(zhuǎn)速和扭矩。這將大大降低對傳動比的需求，甚至可以從輪轂電機直接驅(qū)動，無需任何齒輪箱或齒輪。然而，由于經(jīng)濟原因，通常需要使用高轉(zhuǎn)速電機，因此仍然需要至少一個傳動比。這就造成了與內(nèi)燃機概念有兩個顯著區(qū)別。首先，轉(zhuǎn)速會明顯提升；其次，通常只需要一個傳動比來平衡發(fā)動機和驅(qū)動輪。額外的傳動比只能提高效率。
電動汽車特性
動力傳動系統(tǒng)的變化對傳動究竟意味著什么呢？最明顯的變化就是內(nèi)燃機被電機所取代。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（包括傳動系統(tǒng)的噪聲源）將被聽到。高轉(zhuǎn)速激勵了低階頻率，從而可以被人耳聽到。在極端情況下（例如：輸入軸的跳動），會在聲譜中產(chǎn)生激勵并引起噪聲問題。
電驅(qū)傳動系統(tǒng)的另一個獨特之處在于能量回收（即：能量再生）。電機在反向運行（由車輪驅(qū)動）時可充當發(fā)電機產(chǎn)生電能。這樣就可以借助電機將制動能量轉(zhuǎn)化為電能，為電池充電，而不是在制動盤上轉(zhuǎn)化為熱能。然而，所需的扭矩是通過傳動系統(tǒng)傳遞的，這意味著傳動系統(tǒng)在反向運行時會承受很大的載荷。對于齒輪而言，邊緣側(cè)也要承受很大的載荷。因此，在設計時必須考慮到這一點。
概述
驅(qū)動系統(tǒng)的變化及其后果
用電機取代內(nèi)燃機
......消除內(nèi)燃機帶來的噪聲，但之前的次要噪聲源（例如：傳動系統(tǒng)）將發(fā)揮更大作用；
......在反向運行中，動力傳動系統(tǒng)會因能量再生而承受高載荷；
......在整體載荷譜內(nèi)降低噪聲激勵的要求；
所有這些因素必須在齒輪設計中加以考慮。
齒輪滾動檢測可防止噪聲僅在組裝傳統(tǒng)系統(tǒng)中進行產(chǎn)線終端測試時才顯現(xiàn)出來。
研發(fā)和生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)
與內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車的獨特性給傳動系統(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在齒輪的非工作齒面產(chǎn)生高載荷。在傳統(tǒng)傳動裝置中，這些非工作齒側(cè)用于優(yōu)化傳動側(cè)的自由度。非對稱齒輪就是一個極端的應用示例。在這種情況下，高載荷傳動側(cè)的壓力角將會增大，進而提高工作載荷極限，最終減小低載荷側(cè)的壓力角。如果在傳動側(cè)施加高載荷，這種折中方案將無法實現(xiàn)。這必將導致出現(xiàn)更嚴格的修形公差以及兩個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)的動力傳動系統(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，則需要在整個載荷譜范圍內(nèi)實現(xiàn)低噪聲激勵。由于不再有內(nèi)燃機的噪聲干擾，對噪聲性能的要求也大大提高。除了前面提到的更為嚴格的修形公差外，形狀誤差公差也變得更加嚴格。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，盡可能降低報廢成本。
另一個重要因素就是生產(chǎn)過程對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的。即使激勵的噪聲水平很低（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，迄今為止尚未對所有原因進行充分研究。其中一個可能的原因就是機器振動。例如，機器振動可能由加工過程引起，也可能由外部激勵引起。實際上，在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)鬼階的產(chǎn)生有時是系統(tǒng)性的，有時是偶發(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有一段較長的時間間隔。然而，零星出現(xiàn)的噪聲現(xiàn)象通常只能在EOL檢測裝置上的組裝傳動系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)，因此拒收的風險就增加了，同樣返工的需求也增加了。
從其他應用中我們可以學到什么？
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域找到一些很好的示例。由于齒輪的復雜性和特殊工藝，磨削錐齒輪特別容易產(chǎn)生噪聲。因此，滾動檢測成為車輛噪聲測試的一種既定方法。通常情況下，我們在準靜態(tài)條件下測量單齒面誤差范圍，并在標準轉(zhuǎn)速下測量結(jié)構(gòu)噪聲。在噪聲臨界應用中，錐齒輪的測試率高達100%。
結(jié)構(gòu)噪聲測試的魅力在于其接近應用場景。大輪和小輪以實際的轉(zhuǎn)度進行嚙合。齒輪副激勵測試設備產(chǎn)生振蕩，由振動傳感器進行監(jiān)控。然后，通過傅立葉變換將信號轉(zhuǎn)換到頻域，并以輸入速度為基準將其轉(zhuǎn)換為與速度無關的階次頻譜。這一過程與EOL檢測完全對應，不同之處在于這里只分析制造部件，而不是整個傳動系統(tǒng)。因此，這是在零部件層級進行的EOL檢測。
在圓柱齒輪生產(chǎn)中的應用
HOEFLER（霍夫勒）R 300型圓柱齒輪滾動檢測機（“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錐齒輪滾動檢測機，可以對圓柱齒輪進行滾動檢測，其聚焦于齒輪噪聲特性和電驅(qū)動技術(shù)。
本設備開發(fā)的目的是為了在零部件層級對圓柱齒輪進行EOL檢測。在后續(xù)的文章中，我們將詳細介紹KLINGELNBERG（克林貝格）針對電動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型圓柱齒輪滾動檢測機
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可進行零部件層級的EOL噪聲檢測
