电动车 -齿轮表面波纹度阶次噪声机理分析及改进.pdf

王泽贵

汽车行业齿轮振动噪声现象中，通常最为常见的就是齿轮啸叫和敲

击两类噪声。

齿轮啸叫噪声一般都是指与主动齿轮齿数直接相关的阶次，包括基

阶次及其谐振阶次。

在齿轮谐振阶次中，除了存在齿数的整数倍阶次，还存在主动齿数

的分数倍阶次，分数倍阶次通常在行业内被称之为“鬼阶”。

无论是整数倍齿轮阶次，还是分数倍齿轮阶次，都可以统一理解为

齿轮啮合振动的谐振阶次。

本文主要集中研究齿轮表面波纹度阶次噪声的特点，分析与探讨其

激励机理，提出这一类噪声的优化改进方向，并通过实际齿面波纹

度噪声改进案例进行验证。

基于某款纯电动汽车减速器主减斜齿轮表面波纹度阶次噪声特点及

成因分析，发现齿面波纹度阶次值、齿轮副主动齿轮每转波峰波谷

数量和接触传递误差曲线局部分叉波峰波谷数量，三者数值上完全

一致，提出回转类齿轮摩擦副波纹度振动激励数学描述，较为深入

地探讨齿面波纹度阶次激励形成机理，指出齿面波纹度“鬼阶”噪

声成因及其激励改进方向，并辅以改进案例分析验证。

1齿轮波纹度阶次噪声及分析

某汽车减速器产品在研发批产前阶段，发生令人困惑的“鬼阶”阶

次噪声。图1是该减速器结构布局图，传动系统结构比较简单，只

有两级齿轮传动，根据各齿轮齿数计算，得到这两对齿轮副的基础

阶次到四倍阶次，如表1所示。这四个齿轮制造工艺都是采用淬火

热处理后磨齿方式。经过现场更换齿轮排查试验确认，是图1中的

中间轴上主动齿轮3的齿面存在制造加工异常，其下线监测台上阶

次噪声表现如图2所示，出现二级主减齿轮副基础一倍11.7阶、二

倍23.5阶和三倍35.2阶尖峰异常阶次。

图3是该齿轮表面三维形貌图，应用泰勒－霍普森形貌仪检测，从

齿顶到齿根并沿着啮合对角线方向，可以发现隐藏在粗糙度成分之

中的波纹度曲线，如图中圈出的两个波峰和一个波谷，波峰波谷轮

廓算术平均高度在0.02ｍｍ即20ｕｍ左右，一个波峰或波谷宽度在

10ｍｍ左右，一个齿面啮合过程中，构成三次波形阶跃式激励，即

图2中存在与其齿数相关的一倍、二倍和三倍频阶次。

图4是该齿轮齿面传递误差曲线检测图，应用格里森齿面接触计量

仪检测，该图中可以直观地看出，每个大波形表示一个齿节，由一

个齿轮的三个相同齿节组成，其传递误差值TE大约在0.004ｍｍ。

该传递误差曲线检测图，与图3三维形貌图相对应，如图4中圈出的

分叉波形，也是由两个波峰和一个波谷组成。

综合以上分析还可以得出，齿面波纹度与齿面传递误差，这两者之

间存在较强相关一致性，即波纹度误差可以构成一种波形阶跃激励。

另外，结合该问题现场分析与验证结果可知，只有当该齿轮磨齿加

工发生异常抖动，齿面波纹度是相比齿轮副其它激励源比较突出时，

才会构成较为突出的倍频阶次或明显的齿轮啸叫噪声。通过在磨床

上改进该磨齿工艺后，齿面波纹度参数基本可控制在波纹轮廓算术

偏差Ｗ≤13ｕｍ和波纹轮廓陡度Ｗ≤4.0范围。

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２齿轮波纹度阶次噪声机理探讨

如图５所示，对于任何一个连续回转类摩擦副，其表面波纹度都可

以构成以每一转为一个周期的几何形状的误差激励，且该连续回转

的几何误差激励可以分解为，一系列不同大小波形组成的阶跃式激

励。图５中的几何图形还可用数学方法进一步描述，如式（１）所

示，等式左边几何误差波形，可以看作一个在无数回转圆周ｒ上２

ｋπ上连续可积，且以转速ｎ每转一转时间为周期函数ｒ（ｔ），

则等式右边分解波形可以傅里叶级数在时域ｔ内展开：

其中，ｋ为整数，

从上述公式可看出，ｋ整数值对应不同阶次，ｋ＝０表示０阶整体激

励，其余绝对值相同的正、负整数值表示阶次数相同，但对应的转速

方向相反。

如果是滚动轴承类内或外滚道摩擦副，则k=1表示基础阶次之第一

阶，k=2、3等依次类推为第二阶，第三阶等。如果是齿轮类摩擦副，

通常ｋ＝１是基础阶次之第一主阶次，且与主动齿轮齿数ｚ相同，

其余ｋ值亦依次类推，例如每个轮齿面都有一个“中凹”情形，且

“中凹”相对其它激励较大为主的情况；但当齿面存在其它很多几

何波纹异常情形下，例如齿面发生“Ｓ”形波纹时，则该波形形成

的主阶次ｋ值，并不一定与主动齿轮齿数ｚ相同或成整数倍关系，

因加工的各种原因，主阶次ｋ值只与主动齿轮没转一圈，全部轮齿

上的“Ｓ”形组成的相近几何量级的波峰和波谷个数相同，显然，

由于回转齿轮摩擦副是以主动齿轮每转一圈为周期的函数ｒ（ｔ），

“Ｓ”形组成的波峰波谷个数与主动齿轮齿数始终成一个固定比例

关系，且通常情形下为分数值比例关系，通常被