一种内啮合强力珩齿工艺齿面波纹度建模方法

本发明涉及齿轮齿面加工建模与评估方法，具体涉及内啮合强力珩齿工艺齿面波纹度的建模与评估方法。

背景技术：

1、齿轮传动系统作为新能源汽车的核心部件，其加工质量直接影响新能源汽车的nvh（noise, vibration, harshness）性能。随着新能源汽车电驱动传动系统通过提高电机转速以增加系统功率密度，当前电机转速已达到25000 r/min并向30000 r/min发展。在此传动条件下，新能源汽车齿轮传动系统中的齿轮承受更高的转速，使得齿轮齿面的加工质量面临更为严格的要求。通过单纯提高齿轮形状精度已难以解决新能源汽车传动系统的nvh问题。在齿轮高速运转条件下，齿轮齿面的表面形貌对齿轮传动性能的影响被显著放大，成为高速齿轮传动nvh性能恶化的重要因素。

2、齿面波纹度是齿轮齿面形貌中介于微观齿面粗糙度与宏观齿形误差之间的表面几何结构，具有周期性的表面不平度特征。齿面波纹度通过影响相互啮合齿轮副的正确啮合位置，产生不规则的传动偏差，导致齿轮传动系统振动并产生噪声。在高速传动条件下，该影响效果变得尤为显著，且已有研究表明，齿面波纹度是齿轮产生传动噪声的重要原因。

3、内啮合强力珩齿作为新能源汽车传动系统齿轮的重要加工工艺，通常用于齿轮热处理后的最终精加工工序，对齿轮加工质量具有重要影响。因此，提出内啮合强力珩齿工艺齿面波纹度的建模方法，在理论层面改善齿轮传动的nvh性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种内啮合强力珩齿工艺齿面波纹度建模方法，以优化工件齿面波纹度从而改善齿轮传动nvh性能。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种内啮合强力珩齿齿面波纹度建模方法，包括以下步骤：

3、步骤1：分析内啮合强力珩齿加工原理和材料去除机理，揭示工件齿面波纹度的形成机理。

4、步骤2：建立内啮合强力珩齿工件齿面理论模型，基于工件齿面材料去除机理建立工件实际模型。

5、步骤3：提取工件齿面波纹度，通过对齿面波纹度进行频谱分析，识别齿面波纹度潜在的nvh性能问题。

6、优选地，步骤1中所述内啮合强力珩齿加工原理和材料去除机理，具体分析过程为：

7、（1）内啮合强力珩齿工艺加工原理：

8、内啮合强力珩齿工艺作为齿轮高精度加工工艺之一，其典型工艺机床机构如图2所示。图中c1轴为珩磨轮回转运动轴、c2轴为工件回转运动轴，a轴为轴交角调整轴，x轴为工件径向进给运动轴、z轴为工件轴向进给运动轴、b轴为珩磨轮摆动轴。内啮合强力珩齿工艺的加工原理是通过精确的控制珩磨轮与工件齿轮的啮合运动，实现工件齿轮齿面材料的微量去除，完成工件齿轮齿面的高精度加工。其中，刀具珩磨轮与工件齿轮的啮合运动相当于一对内外圆柱斜齿轮的啮合传动，不同的是在内啮合强力珩齿工艺中，为保证珩磨轮的均匀磨损，珩磨轮会沿工件齿轮轴做轴向运动，其啮合传动如图3所示。珩磨轮与工件的转速设置如下：

9、

10、其中，nc1是珩磨轮回转运动轴转速，nc2是工件回转运动轴转速，zc1是珩磨轮齿数，zc2是工件齿轮齿数，vz是珩磨轮轴向进给速度，βc2是工件齿轮螺旋角。

11、（2）内啮合强力珩齿工艺材料去除机理：

12、为实现工件齿面材料的去除，所述内啮合强力珩齿机床通过调整工件齿轮径向进给轴，改变珩磨轮与工件齿轮的相对位置，以使珩磨轮齿面磨粒在珩磨轮与工件齿轮的相对运动过程中侵入工件齿面材料，并在珩磨轮磨粒的作用下去除工件齿面材料。

13、理论上，在不考虑工件齿轮齿面材料加工余量的情况下，珩磨轮与工件齿轮处于线接触状态；在考虑工件齿轮齿面材料加工余量的情况下，珩磨轮与工件齿轮处于近似线接触的带状接触区域，如图4。

14、在珩削运动过程中，珩磨轮与工件齿轮均存在振动，该振动导致珩磨轮与工件齿轮的实际接触线偏离理论接触线位置，进而改变珩磨轮接触线上磨粒对工件材料的去除量，使工件齿轮齿面产生周期性的表面不平度，如图5。

15、此外，随着加工工件数量的增加，珩磨轮齿面逐渐磨损；由于珩磨轮齿顶与齿根处的珩削条件不同，且珩磨轮表面材料具有随机性，珩磨轮齿面亦存在表面不平度，该表面不平度在加工过程中映射至工件齿面，形成工件齿面的表面不平度，如图6。

16、其中，齿面波纹度为介于齿面粗糙度与齿形误差之间的表面不平度特征，经滤波算法处理后获得齿面波纹度曲线。

17、优选地，步骤2中工件齿面理论模型和工件实际模型建模过程为：

18、（1）工件齿面理论模型的建立。

19、在内啮合强力珩齿中，珩磨轮表面为修整轮的包络面，即珩磨轮由修整轮的包络运动形成，修整轮通常具有与工件齿轮相同的形状参数。

20、

21、θ和u是修整轮齿面参数。

22、根据齿轮啮合原理，修整轮齿面与珩磨轮齿面在啮合点处公法线方向的速度为0，即齿轮啮合方程：

23、

24、式中，n是修整轮齿面与珩磨轮齿面啮合点处的公法线，v是修整轮齿面与珩磨轮齿面啮合点处的相对运动速度。n和v的计算需要在同一个坐标系下进行。

25、在修整轮齿面坐标系下，修整轮齿面的法向量nd为：

26、

27、珩磨轮齿面与修整轮齿面的相对运动速度vhd为：

28、

29、利用齐次坐标坐标变化将上述变量统一到一个坐标系下，构建齿轮啮合方程。通过求解啮合方程获得未知数，能够得到齿面啮合点，并将该啮合点使用齐次坐标表示在珩磨轮坐标系下，得到珩磨轮齿面相应点。

30、

31、

32、rh是珩磨轮齿面坐标，nh是齿面坐标rh处的法向量，mhd是修整轮与珩磨轮之间的齐次坐标变换矩阵，lhd是mhd前3行3列。

33、根据上述方法，使用珩磨轮与工件齿轮的包络运动可以求解工件齿面坐标，即建立工件齿面理论模型。

34、

35、

36、rg是工件齿面坐标，mgh是珩磨轮与工件齿轮之间的坐标变换矩阵，根据珩磨轮与工件齿轮的位置关系确定。

37、（2）工件实际模型的建立。

38、工件齿面的形成是珩磨轮齿面大量磨粒多次磨削进行材料去除的结果，可以表示为材料去除量是磨粒单次材料去除深度与磨削次数的累加求和，如图7所示。

39、使用矩阵表示磨粒单次材料去除深度，考虑磨粒的磨削方向调整材料去除深度分布。

40、

41、d是磨粒影响范围内的材料去除深度，可以表示沿磨粒速度方向及其垂直方向的材料去除高度。

42、基于工艺参数中材料去除余量与进给量等必要数据，确定理论的材料去除周期数。考虑珩磨轮磨轮与机床振动，每个材料去除周期内仅有一部分磨粒参与材料去除，根据实际参加磨削的磨粒比列，随机分配参与磨削的磨粒位置，在该位置考虑磨粒的材料去除深度并更新齿面残留高度数据，经多次迭代可获得工件齿面形貌。

43、

44、优选地，步骤3中所述波纹度提取和齿面波纹度频谱分析方法具体为：

45、（1）计算工件齿面实际模型与工件齿面理论模型的偏差：

46、为充分衡量工件齿面偏差特征，工件齿面的偏差沿工件齿面齿廓方向和齿向方向进行提取，如图8所示。

47、齿面波纹度是齿面偏差的主要构成成分之一，其波长介于齿面粗糙度与齿形误差之间，根据波纹度特征设置滤波器参数过滤获取的齿面偏差数据，确保获取的数据为齿面波纹度特征，如图9。

48、（2）通过对齿面波纹度进行提取，得到工件齿廓方向和齿向方向的齿面波纹度曲线，通过对齿面波纹度曲线进行快速傅里叶变换得到齿面波纹度的频谱分析图，该频谱图显示了频率对应的幅值，针对频谱图进行分析，可以识别出潜在的齿轮传动噪声问题，提前预判齿轮加工形貌质量和工艺参数设置的合理性。