CN110542389A - 用于分析表面波纹度的方法 - Google Patents

Abstract

分析齿轮齿面的表面波纹度的方法，包括：测量齿轮的两个或更多个齿，其中沿着该两个或更多个齿中的每个齿上的至少一个测量路径测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差；测量齿轮的至少一个另外的齿，对于该另外的齿，沿着至少一个局部测量路径测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差，所述局部测量路径的长度小于所述测量路径的长度；和/或测量齿轮的至少一个另外的齿，对于该另外的齿，通过接触位于该另外的齿的齿面上至少一个点来测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差；将旋转角度与每个测量值相关联，并通过在旋转角度上绘制的偏差的阶次分析来确定几何捕获的阶谱，其中确定一个或多个补偿函数和/或插值函数。

Description

用于分析表面波纹度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于分析齿轮齿面的表面波纹度的方法。

背景技术

在具有混合动力驱动或全电动驱动的机动车辆中，车辆变速器的噪音不再被发动机噪音完全掩盖。因此，由于变速器的齿轮对的滚动而产生的传动噪声可以被车辆乘员感知并且被发现是恼人的。近年来，从大学研究的边缘学科到变速器工业生产中的重要质量特征，齿轮齿的噪声行为的研究已经发展到朝向混合动力驱动或全电动驱动的趋势。

已经表明，如在传统的隔离缺陷测试中所确定的那样仅仅减小齿轮齿偏离其设定点几何形状的制造并不一定也导致在噪声测试和/或滚动测试中齿轮齿的更好的噪声特性。因此，基于各个缺陷测试的观察，易受噪声影响的齿轮齿可以比不易受噪声影响的齿轮齿更精确地制造。因此，存在一方面齿轮齿的生产保持规定的制造公差另一方面还要满足噪声特性的规定的需求。

齿轮齿的噪音由于齿的接触而产生，即齿面的滚动。为了分析易受噪声影响的齿轮齿的主频率，在齿轮齿的滚动期间测量的噪声被转换成阶谱(order spectrum)，例如借助于傅里叶变换。

除了齿啮合的阶次(orders)之外，这种阶谱也具有所谓的“幻象阶”(“phantomorders”)，其不受齿轮齿的设计的影响并且由制造缺陷引起。例如，由于夹紧故障、工具故障、轴承缺陷、或机床内部的轴向进给，可能出现显著的幻象阶。例如，显而易见的是，在齿轮齿的制造期间工具的摆动(wobbling)再现了与齿面上的设定点几何形状的周期性重复偏差。可以使用精确的坐标测量装置几何地捕获该偏差。

在许多情况下，可以在齿面的表面上几何地捕获的波纹与声学上可检测的主要幻象阶之间建立关系。因此，借助于齿轮齿的表面波纹度的几何捕获，可以得出齿轮齿的潜在关键噪声特性和/或机床状态。

然而，齿轮齿关于齿面的表面波纹度的完整测量是耗时的并且不能在工业大规模生产中实现。因此，本发明基于如下技术问题：提出一种用于分析齿轮的齿面的表面波纹度的方法，该方法能够以较短的周期时间可靠地分析表面波纹度。

发明内容

通过根据权利要求1的方法解决了上述技术问题。本发明的进一步实施例由从属权利要求和以下描述得出。

本发明涉及一种用于分析齿轮齿面的表面波纹度的方法，包括以下方法步骤：

A)测量齿轮的两个或更多个齿，其中沿着所述两个或更多个齿中的每个齿上的至少一个测量路径测量齿面几何形状与设定点几何形状的偏差；

B)测量齿轮的至少一个另外的齿，其中对于所述另外的齿，沿着至少一个局部测量路径测量齿面几何形状与设定点几何形状的偏差，其中所述局部测量路径的长度小于所述测量路径的长度；和/或测量齿轮的至少一个其它的齿，其中对于所述其它的齿，通过接触位于所述其它的齿的齿面上至少一个点测量齿面几何形状与设定点几何形状的偏差；

C)将旋转角度与每个测量值相关联，并通过在旋转角度上绘制的偏差的阶次分析来确定几何捕获的阶谱，其中确定一个或多个补偿函数和/或插值函数。

因为齿轮的一些齿在方法步骤B)中仅被部分地测量，所以可以缩短测量过程的周期时间。在这种情况下，在方法步骤B)中沿着局部测量路径形成的偏差和/或测量点形成用于确定所述一个或多个补偿函数和/或插值函数的支撑点。

测量路径和/或局部测量路径可以至少在沿轮廓方向和/或沿齿侧方向的一些部分中延伸。替代地，测量路径和/或局部测量路径可以横向于轮廓方向和/或齿侧(flank)方向取向。

可以设置成，在方法步骤A)中，测量至少四个齿。因此，例如，可以测量四个齿，所述四个齿例如以基本上等距的角度间隔彼此间隔开。

可选地或另外地，可以设置成，在方法步骤B)中，测量至少八个另外的齿。例如，如果在方法步骤A)中测量四个齿，则在方法步骤B)中另外两个齿可以在四个齿中的每两个之间测量，以改善待确定的一个或多个补偿和/或插值函数的质量。显然，在方法步骤A)和B)中待测量的齿的数量可以特定地适合于齿轮齿。

可以设置成，在方法步骤A)中测量的齿不是彼此相邻布置的。因此，可以在围绕圆周分布的每种情况下进行更详细的测量，其测量值由根据方法步骤B)的值补充。

或者，可以设置成，在方法步骤A)中测量的齿彼此相邻布置。因此可以进行连续齿的快速测量，其测量值由根据方法步骤B)的值补充。

可以设置成，在方法步骤B)中，测量至少一个齿，该至少一个齿与方法步骤A)中的所述两个或更多个齿不同，以产生用于确定所述一个或多个补偿和/或插值函数的支撑点。

根据该方法的另一实施例，设置成在方法步骤A)和方法步骤B)中，借助于光学传感器系统执行偏差的光学测量。光学测量能够进一步缩短与接触测量相关的测量过程的周期时间。

可替代地，可以设置成，在方法步骤A)中，借助于测量探针进行偏差的接触测量，并且在方法步骤B)中，借助于光学传感器系统进行偏差的光学测量。因此，对于各个缺陷测试可以以已知的方式使用接触测量来捕获测量值，同时在方法步骤B)中待被测量的局部测量路径(其被用作用于确定一个或多个补偿函数和/或插值函数的支撑点)可以使用缩短的测量时间进行光学捕获。

可以设置成，在时间方面，方法步骤A)在方法步骤B)之前执行。可替代地，可以设置成在时间方面方法步骤B)在方法步骤A)之前进行。可替代地，可以设置成如果使用光学测量系统和接触测量系统，则方法步骤A)和方法步骤B)至少部分地或完全地同时进行。

该方法的另一实施例的区别在于，光学传感器系统是用于彩色共焦距离测量的共焦传感器系统。因此可以进行稳健、精确的偏差测量，其中光学系统的测量精度对应于接触坐标测量系统的测量精度。

可替换地，光学传感器系统可以是具有三角法测量传感器或干涉仪的传感器系统。

根据该方法的另一实施例，设置成在方法步骤B)中，在光学测量期间，齿轮相对于光学传感器系统的光学传感器进行连续旋转，其中连续旋转以在待测齿的整个角度范围上以恒定的角速度进行。以这种方式可以实现光学测量的短周期时间。

特别地，可以设置成，在方法步骤B)中，测量齿轮的未在方法步骤A)中测量的所有齿。因此可以改善要确定的一个或多个补偿函数和/或插值函数的精度。

可以设置成，在方法步骤B)中，测量齿轮的所有齿。在这种情况下，在方法步骤B)中，测量齿轮的在方法步骤A)中未测量的所有齿，并且另外还测量在方法步骤A)中测量过的齿。因此可以改善要确定的一个或多个补偿函数和/或插值函数的精度。

如果在方法步骤A)中沿着至少一个测量路径进行接触测量并且在方法步骤B)中沿着至少一个局部测量路径进行光学测量，则方法步骤B)中的所有齿的测量仅意味着轻微的周期时间的增加，特别是对于在方法步骤B)中的测量是在以恒定角速度在待测齿的整个角度范围上的连续旋转期间进行的情况下。

根据该方法的另一实施例，设置成在方法步骤B)中，对于待测量的至少一个齿面，进行齿面的第一测量和相同齿面的至少一个另外的测量，其中在第一测量之后和第二测量之前，齿轮的旋转轴线相对于光学传感器系统的光学传感器的距离减小或增大。

例如，光学传感器可定位成用于在相对于齿轮的旋转轴线的距离a1处进行齿面的第一测量，以检测第一测量点。随后，光学传感器可定位成用于在相对于齿轮的旋转轴线的、与距离a1不同的距离a2处进行齿面的第二测量，以检测至少一个第二测量点。可以设置成，沿着齿面的局部测量路径连续地或逐步地捕获多个测量点。

可以设置成，方法步骤B)中的光学传感器定位在相对于齿轮的旋转轴线的距离a1处，并且随后发生齿轮的旋转，从而首先将齿面的待在方法步骤B)中测量的所有测量值在距离a1处捕获。然后可以将旋转轴线和光学传感器之间的距离改变到距离a2，该距离a2不同于距离a1。在随后的工件旋转过程中，待在方法步骤B)中测量的齿的所有测量值在距离a2被捕获。以这种方式，可以在短时间内捕获在方法步骤B)中要捕获的局部测量路径和/或测量点的多个测量值。

显然，方法步骤B)中的测量可以通过接近离散测量位置来执行(替代连续工具旋转)，这些离散测量位置用作局部测量路径或测量点的光学或接触扫描的起始位置。

根据该方法的另一实施例，设置成方法步骤A)和方法步骤B)通过接触测量来执行。因此，根据本发明的方法可以在现有的坐标测量机上进行，该坐标测量机仅具有接触测量单元。

方法步骤C)中的阶次分析可以通过逐步确定主频率来执行，其中对于指定的频率范围执行以下方法步骤：确定补偿角度函数，其中具有最大幅值的补偿角度函数定义为在旋转角度上绘制的偏差的第一主频率；针对在旋转角度上绘制的偏差的第一主频率进行过滤；确定用于在旋转角度上绘制并被过滤第一主频率的偏差的补偿角度函数，其中具有最大幅值的补偿角度函数被定义为在旋转角度上绘制的偏差的第二主频率。

显然，可以使用另外的周期函数而不是角度函数来替代地或另外地描述插值函数和/或补偿函数。

根据该方法的另一实施例，设置成在方法步骤A)中，沿着轮廓方向和/或齿侧方向上的多个测量路径测量齿面几何形状与设定点几何形状的偏差，特别是例如测量网格；和/或在方法步骤B)中，进行索引测量和/或局部轮廓测量。

因此，根据预期的波度曲线，测量策略可以专门针对齿轮齿进行调整。例如，如果预期齿面上的波纹的空间取向与阶谱分析相关，则在用于测量齿面的方法步骤A)和/或B)中检测两个或更多个测量路径或局部测量路径可能是有利的。

可以设置成，作为方法步骤B)的替代或补充，在方法步骤C)中使用和分析索引测量的测量数据。因此，方法步骤B)可以完全被取代，因为在索引测量中已经捕获的相关齿轮的测量数据与来自方法步骤A)的测量值一起使用用于方法步骤C)。除了在方法步骤B)中测量的值之外，还可以根据该方法的另一实施例使用在前索引测量的测量值。

此外，可以设置成，作为方法步骤A)的替代或补充，在方法步骤C)中使用和分析轮廓和/或侧面线测量的测量数据。因此，方法步骤A)可以完全被取代，因为已经在轮廓和/或齿侧线测量中捕获的相关齿轮的测量数据与来自方法步骤B)的测量值一起使用用于方法步骤C)。除了在方法步骤A)中测量的值之外，根据该方法的另一实施方案，可以使用先前的轮廓和/或齿侧线测量的测量值。

如果，作为方法步骤A)的替代，仅使用轮廓和/或齿侧线测量的测量值，并且作为方法步骤B)的替代，仅使用索引测量的测量值，方法步骤C)可以在传统的单个故障测试的测量值的基础上执行。

为了能够进行合理性检查和原因分析，根据该方法的另一实施例设置成在噪声测试台上执行齿轮的噪声测量，并且执行声学捕获的阶谱的确定，并且将声学捕获的阶谱与几何捕获的阶谱进行比较。如果进行声学捕获，在该齿轮的几何捕获的阶谱中也可检测到易受噪声影响的齿轮的主要噪声阶数，齿面的表面波纹度可以是噪声发展的原因。

附图说明

下面基于附图更详细地描述本发明，附图示出了示例性实施例。在示例性附图中：

图1显示了待分析表面波纹度的齿轮；

图2显示了测量偏差的分析。

具体实施方式

图1示出了齿轮100，借助于根据本发明的用于分析表面波纹度的方法研究齿轮100的齿104的齿面102。为了更好地理解以下描述，齿轮100的齿104从1-12连续编号。

在方法步骤A)中，首先测量彼此均不相邻布置的齿1、4、7、10。在这种情况下，在齿1、4、7、10中的每一个上沿着轮廓方向中的测量路径M1测量相应的齿面几何形状与设定点几何形状的偏差。因此，在本例中在方法步骤A)中测量四个齿1、4、7、10。

在方法步骤A)中齿1、4、7、10的相应齿面102的测量在当前情况下借助于测量探针106以接触的方式进行。测量探针106固定到坐标测量装置(这里未示出)，其中其可以是例如Klingelnberg集团的精密测量中心。

根据本发明的方法的替代示例性实施例，可以设置成，借助于光学传感器系统沿着相应的测量路径M1测量齿1、4、7、10的齿面102。

在方法步骤B)中，测量齿轮100的另外的齿3、6、9、12，齿3、6、9、12与齿1、4、7、10不同。对于待在方法步骤B)中测量的齿3、6，通过接触齿3、6的相应齿面102上的相应点P1，捕获相应的齿面几何形状与齿轮100的设定点几何形状的偏差。

对于待在方法步骤B)中测量的齿9、12，分别沿着轮廓方向上的至少局部测量路径M2，测量相应的齿面几何形状与设定点几何形状的偏差。局部测量路径M2的长度小于测量路径M1的长度。

根据本发明的方法的替代示例性实施例，可以设置成，在方法步骤B)中，对于待测量的所有另外的齿3、6、9、12，分别捕获相应的齿面几何形状的局部测量路径M2。可替代地，可以设置成，对于在方法步骤B)中待测量的每个齿3、6、9、12，仅接触相应齿面102的单个点P1。

在方法步骤B)中，因此在当前情况下测量另外四个齿。根据本发明的替代示例性实施例，可以设置成在方法步骤B)中测量多于四个的另外的齿，特别是在方法步骤B)中测量在方法步骤A)中未测量的所有齿，或者在方法步骤B)中测量齿轮的所有齿，包括在方法步骤A)中测量过的齿。

在方法步骤B)中的测量在当前情况下是借助于光学传感器系统108进行的偏差的光学测量。根据本发明的替代示例性实施例，可以设置成方法步骤A)中的测量以及方法步骤B)中的测量都通过接触测量来执行。光学传感器系统108在当前情况下是用于彩色共焦距离测量的共焦传感器系统108。

在本示例中，首先，借助于测量探针106执行齿1、4、7、10的接触测量。在测量完成之后，测量探针106缩回，使得在齿轮100的后续旋转期间不会发生碰撞。在完成接触测量之后，执行齿3、6、9、12的光学测量。

可以设置成，在光学测量期间，相对于光学传感器系统108的光学传感器114执行齿轮100的连续旋转，其中围绕旋转轴线R以恒定速度在要被测量的齿的整个角度范围上进行连续旋转。

可以设置成，局部测量路径M2的测量是通过以下方式实现的：齿轮100的旋转轴线R相对于光学传感器系统108或传感器114的距离a分别逐步减小或增大。

在方法步骤C)中，执行测量值的分析，其中对应于齿轮的滚动的旋转角度与齿面的每个测量值相关联。随后，通过在旋转角度上绘制的偏差的阶次分析来执行几何捕获的阶谱的确定，其中确定了一个或多个补偿函数和/或插值函数。

在图2中，根据滚动期间的旋转角度来排列各个齿面1-12相对于设定点几何形状的测量偏差。因此，以如下方式在旋转角度(横坐标)上绘制偏差(纵坐标)：其中这些偏差在齿啮合的滚动期间连续地对噪声激励作出贡献。

对于在旋转角度上绘制的偏差，在当前情况下首先确定具有最大幅值的补偿角度函数110。该补偿角度函数110表示在旋转角度上绘制的几何偏差的第一主频率。在当前情况下，补偿角度函数110是正弦函数。

在下一步骤中，对补偿角度函数110的偏差进行滤波。随后，又确定具有最大幅值的补偿角度函数110，其表示几何捕获的偏差的第二主频率。

以这种方式，可以从几何捕获的偏差连续地确定阶谱以分析表面波纹度。因为方法步骤B)中的齿面仅局部地或在点处测量，因此可以快速分析齿轮齿100的齿面102的表面波纹度。

附图标记清单

1…12 齿104的索引

100 齿轮

102 齿104的齿面

104 齿轮的齿104

106 测量探针

108 光学传感器系统

110 补偿角度函数

112 补偿角度函数

114 光学传感器

M1 测量路径

M2 局部测量路径

P1 测量点

R 旋转轴线

Claims (10)

1.一种用于分析齿轮齿面的表面波纹度的方法，包括以下方法步骤：

A)测量齿轮(100)的两个或更多个齿(1、4、7、10)，其中沿着所述两个或更多个齿(1、4、7、10)中的每个齿上的至少一个测量路径(M1)测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差；

B)测量齿轮(100)的至少一个另外的齿(9、12)，其中对于所述另外的齿(9、12)，沿着至少一个局部测量路径测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差，其中所述局部测量路径的长度小于所述测量路径的长度；和/或

测量齿轮(100)的至少一个另外的齿(3、6)，其中对于所述另外的齿(3、6)，通过接触位于所述另外的齿(3、6)的齿面(102)上的至少一个点(P1)来测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差；

C)将旋转角度与每个测量值相关联，并通过在旋转角度上绘制的偏差的阶次分析来确定几何捕获的阶谱，其中确定了一个或多个补偿函数和/或插值函数(110、112)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

-在方法步骤A)中，测量至少四个齿(1、4、7、10)；和/或

-在方法步骤B)中，测量至少八个另外的齿；和/或

-在方法步骤A)中测量的齿(1、4、7、10)不彼此相邻布置；和/或

-在方法步骤B)中，测量至少一个不同于方法步骤A)中的所述两个或更多个齿(1、4、7、10)的齿。

3.根据前述权利要求1或2中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在方法步骤A)和方法步骤B)中，借助于光学传感器系统(108)进行偏差的光学测量；或者

-在方法步骤A)中，借助于测量探针(106)执行偏差的接触测量；和在方法步骤B)中，借助于光学传感器系统(108)执行偏差的光学测量。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，光学传感器系统(108)是用于彩色共焦距离测量的共焦传感器系统(108)。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在方法步骤B)中，在光学测量期间，相对于光学传感器系统(108)的光学传感器(114)执行齿轮(100)的连续旋转，

-其中连续旋转在待测量的齿的整个角度范围上以恒定的角速度进行。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在方法步骤B)中，对于待测量的至少一个齿面(102)，执行齿面(102)的第一测量和相同齿面(102)的至少一个另外的测量，

-其中，在第一测量之后并且在第二测量之前，减小或增加齿轮(100)的旋转轴线(R)相对于光学传感器系统(108)的光学传感器(114)的距离(a)。

7.根据前述权利要求1或2中任一项所述的方法，

其特征在于，方法步骤A)和方法步骤B)通过接触测量执行。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

-方法步骤C)中的阶次分析通过逐步确定主频率来执行，其中对于指定的频率范围执行以下方法步骤：

-确定补偿角度函数(110、112)，其中具有最大幅值的补偿角度函数(110)被定义为在旋转角度上绘制的偏差的第一主频率；

-针对在旋转角度上绘制的偏差的第一主频率(110)进行过滤；

-确定用于在旋转角度上绘制并且被过滤第一主频率(110)的偏差的补偿角度函数，其中具有最大幅值的补偿角度函数(112)被定义为在旋转角度上绘制的偏差的第二主频率(112)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在方法步骤A)中，沿着轮廓方向和/或齿侧方向上的多个测量路径测量齿面几何形状相对于设定点几何形状的偏差，特别是以测量网格的方式进行测量，和/或

-在方法步骤B)中，执行索引测量和/或局部轮廓测量，和/或

-作为方法步骤B)的替代或补充，索引测量的测量数据在方法步骤C)中使用并进行分析，和/或

-作为方法步骤A)的替代或补充，轮廓和/或齿侧线测量的测量数据在方法步骤C)中使用并进行分析。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在噪声测试台上执行齿轮(100)的噪声测量，并确定声学捕获的阶谱；和

-执行声学捕获的阶谱与几何捕获的阶谱的比较。