混合動力變速箱齒輪修形優(yōu)化及試驗驗證

潘公宇，王憲錳,李　東，梁艷春

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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混合動力變速箱齒輪修形優(yōu)化及試驗驗證

潘公宇，王憲錳,李東，梁艷春

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：深度混合動力變速箱內(nèi)的齒輪嚙合產(chǎn)生的激振力引起箱體振動，齒輪接觸狀況不良噪音過大是變速箱的主要噪聲來源。運用Kiss soft軟件，建立了混合動力齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型，選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案對齒輪進行優(yōu)化改進，改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性。為驗證齒輪修形的優(yōu)化效果，對比齒輪優(yōu)化前后箱體的噪聲情況，選取特定純電動工況下，對混合動力系統(tǒng)進行噪聲試驗。試驗結果表明：在齒輪修形優(yōu)化之后，箱體的噪音明顯降低，噪聲、振動和聲振粗糙度(noise，vibration，harshness，NVH)性能得到明顯改善。

關鍵詞：混合動力變速箱；NVH；齒輪修形;Kiss soft軟件；噪聲試驗

0引言

深度混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，在經(jīng)濟性、排放性和動力性等方面具有獨一無二的優(yōu)勢[1]。但是，隨著混合動力技術的快速發(fā)展，人們對混合動力汽車乘坐舒適性的要求也越來越高，振動噪聲性能成為衡量車子好壞的重要指標。

由于混合動力汽車在關鍵部件和結構布置上都發(fā)生了很大的改變，相應地對振動噪聲的控制也產(chǎn)生了新的問題。變速箱是主要的噪聲源之一，因此，對混合動力變速箱的減振降噪優(yōu)化的研究具有重要意義[2-4]。目前，國內(nèi)許多學者都對此做出了相應的研究。文獻[5]在某動力分流混合動力變速箱非穩(wěn)態(tài)工況條件下進行試驗，利用階次分析技術，識別其主要噪聲源。文獻[6]以功率分流式混合動力變速箱為研究對象，運用有限元法對箱體進行模態(tài)分析，得到箱體的固有頻率，為箱體的前期開發(fā)和后期優(yōu)化提供了依據(jù)。但是，國內(nèi)對混合動力變速箱的研究較少,沒有形成一個有效的方法來指導產(chǎn)品的開發(fā)。

混合動力分流系統(tǒng)的電控無級式自動變速器(electronic continuously variable transmission，E-CVT)是強油電深度混合動力變速器，由行星齒輪機構、主減速器、差速器、大小電機和液壓閥板等結構組成[7]。變速箱內(nèi)的齒輪嚙合產(chǎn)生的動態(tài)激振力引起箱體振動，經(jīng)過箱體輻射產(chǎn)生噪聲。齒輪接觸狀況不良引起的噪音過大是變速箱的主要噪聲來源[8]，因此，對齒輪副的優(yōu)化設計成為變速箱降噪減振的核心工作之一。本文選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案，運用Kiss soft軟件對齒輪進行修形優(yōu)化仿真，以改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性。并在混合動力汽車常用特定工況下對箱體進行噪聲試驗，驗證齒輪噪聲優(yōu)化效果。

1混合動力系統(tǒng)仿真模型

1.1混合動力齒輪傳動系統(tǒng)結構參數(shù)

拉維納行星齒輪包括1個大太陽輪、2個長行星輪、1個小太陽輪、3個短行星輪和內(nèi)齒圈等[9]，結構如圖1所示。

1.內(nèi)齒圈；2.小太陽輪S1；3.大太陽輪S2；4.長行星輪P1;5.短行星輪P2；6、7、8、9.減速齒輪;10、11.電機泵齒輪。圖1　拉維納行星齒輪結構

需要確定的參數(shù)有齒數(shù)、固定傳動比、壓力角、螺旋角、中心距、齒寬、頂圓直徑、根圓直徑、分度圓直徑、基圓直徑、齒頂間隙、法向側隙、端面重合度和總重合度等。

表1是拉維納行星齒輪結構參數(shù)，其中以小太陽輪的旋轉方向為正方向。

1.2混合動力齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型的建立

在Kiss soft軟件中，Kiss sys是管理工具，用來將各零部件之間建立關系，同時，一份文件可完成多個基于標準的計算。用戶可以在非常短的時間內(nèi)完成對整個傳動系數(shù)參數(shù)已知條件的輸入、經(jīng)驗值的植入以及最終軟件詳細結果的輸出。具體步驟如下：

(Ⅰ)在Kiss sys軟件中準確建立運動仿真簡圖(即概念建模)，以便于后期完成軸系幾何數(shù)據(jù)、軸承以及齒輪具體參數(shù)的導入。

(Ⅱ)將詳細的齒輪副參數(shù)、軸系幾何數(shù)據(jù)以及軸承的參數(shù)添加到模型當中，然后基于這些數(shù)據(jù)，在Kiss sys軟件中建立詳細的3D幾何模型，如圖2所示。

(Ⅲ)在Kiss sys中自定義一張類似Excel的功能表格，通過一些語句和規(guī)則來控制可管理各項計算程序的結果。將Kiss soft需要設置的細節(jié)參數(shù)編輯到表格當中，運行整個傳動系統(tǒng)的強度計算功能，適時地更新表格的數(shù)據(jù)。定義好所有零部件之間的裝配關系，建立齒輪副的嚙合關系。

表1　拉維納行星齒輪各結構參數(shù)

圖2　傳動系統(tǒng)的Kiss sys模型

建立混合動力系統(tǒng)的仿真模型，通過傳動系統(tǒng)的建模得到反映混合動力系統(tǒng)的齒輪機構，為下一步齒輪修形優(yōu)化以及解決噪聲問題奠定基礎。

2齒輪副優(yōu)化設計及評價

2.1齒輪修形優(yōu)化設計

齒輪在系統(tǒng)絕對剛性且無任何安裝制造誤差的情況下，齒面接觸狀況最理想，傳遞誤差曲線在理想條件下為一條直線。而在實際工作中齒輪會因傳動系統(tǒng)殼體、軸、軸承及其自身等變形而出現(xiàn)錯位，導致齒輪的接觸狀況不再理想，使齒輪出現(xiàn)嚴重的偏載和傳遞誤差過大，最終齒輪載荷能力(壽命)下降和傳動不平穩(wěn)，導致噪音過大。因此，為了校正齒面接觸狀況不良和提高齒輪傳動平穩(wěn)性，必須對齒輪進行修形，優(yōu)化齒面接觸狀況，使接觸斑點達到最優(yōu)[10]。

Kiss soft軟件可以對齒廓、齒向和對角進行修形，應用拋物線修形和鼓形修形等不同的方法及組合，得到合理的修形曲線。在Kiss soft 軟件修形完之后，分析齒輪強度在修形前后的變化來判斷修形的好壞，同時也可以直觀比較齒輪傳遞誤差和接觸斑點的變化。修形時，定義一組修形參數(shù)，并不斷調整，減小傳遞誤差并優(yōu)化接觸斑點，以降低最大齒面接觸及齒根彎曲的應力作為目標進行修形。

本文選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案。采用齒廓修形的方法可以消除輪齒嚙入和嚙出沖擊，即沿齒高方向從齒面上切掉一部分材料來改變齒廓形狀消除干涉，本文選擇長修形方式。采用齒向修形的方法是根據(jù)輪齒受力后產(chǎn)生的變形，將齒輪螺旋角和軸向齒形按預定規(guī)律進行修正，以獲得較為均勻的齒向載荷分布，本文選擇鼓形修形，獲得鼓形量的大小和鼓形中心在齒向方向上的位置。

在修形之前首先要選定分析的工況，由于行星排機構工況點繁多，為避免發(fā)動機噪音對齒輪系統(tǒng)噪聲研究的影響，因此，將修形和優(yōu)化設計的重點放在純電動工況下。

在常規(guī)工況下齒頂修緣7 μm，修形起始位置為 95.260 mm。有效漸開度為7.612 mm，修形的長度以1.000 mm 作為參考量。通過魯棒優(yōu)化計算，在小區(qū)間范圍內(nèi)迭代計算，以最小傳遞誤差值、最大應力值以及最小扭矩波動為目的，來設置修形參數(shù)和修形方案。

設置好修形參數(shù)和修形方案后，計算得到修形結果以及修形后的K形圖。齒輪修形的基本參量都可以從K形圖中找到。圖3為左齒面齒廓修形K形圖，左右齒面修形方式一致。由圖3可得：齒頂修形長度為1.040 mm,修形量為8 μm；齒根修形長度為0.353 mm,修形量為9 μm；修形起始位置為95.260 mm。圖4為左齒面齒向修形K形圖，左右齒面修形方式一致。由圖4可得：鼓形量為4 μm,鼓形中心距為14.000 mm。

圖3 左齒面齒廓修形K形圖圖4 左齒面齒向修形K形圖

2.2優(yōu)化設計評價

為了更直觀地觀察修形效果，可以得到接觸應力的3D視圖。限于文章篇幅，圖略。在齒輪未修形前，接觸應力圖兩側出現(xiàn)尖點，表明兩側受力很大，中間受力很小，應力分布嚴重不均。在修形的過程中，相比修形前，修形效果明顯，應力分布變得均勻，但是右側仍有尖點出現(xiàn)，不是很理想。繼續(xù)修改參數(shù)，不斷嘗試，得到最終修形效果，接觸應力圖分布很均勻，基本上可以很好地達到修形目的，效果較理想。

此外，還可以得到齒輪應力接觸斑點圖，計算出抗膠合安全系數(shù)，同時還可以查看嚙合過程中的瞬時溫度曲線等，都可以得到和上述相同的結論。

3混合動力系統(tǒng)NVH性能驗證

本文依據(jù)優(yōu)化仿真得到的齒輪參數(shù)制造出齒輪，依據(jù)臺架試驗，對齒輪修形優(yōu)化前后的變速箱進行噪聲、振動和聲振粗糙度(noise,vibration,harshness,NVH)性能測試。

3.1試驗條件

在純電動工況下對變速箱進行噪聲試驗，試驗在混合動力總成臺架上進行。動力總成臺架由兩個直流電機作為負載電機，變速箱內(nèi)置電機作為輸出電機，采用主流標定軟件INCA控制箱體內(nèi)電機的輸入?yún)?shù)。在此基礎上，設計一套振動噪聲試驗工裝，將混合動力總成、HBM扭矩傳感器和負載電機連接起來。

混合動力變速箱差速器半軸和負載電機之間通過HBM扭矩傳感器連接，連接處添加軸承支座。噪聲實時監(jiān)控系統(tǒng)(noise control act,NCA)通過控制器局域網(wǎng)絡(controller area network,CAN)總線與電機控制器動力控制單元(power electronic unit,PEU)進行通信，發(fā)送控制信號調節(jié)內(nèi)部電機施加負載的大小，模擬混合動力汽車真實工作條件下的連接方式。通過控制內(nèi)置驅動電機轉速，測試變速箱在不同轉速下的噪聲，噪聲測試系統(tǒng)如圖5所示。

3.2試驗結果分析

選取純電動5～58 km/h和58 km/h常用車速，在內(nèi)置大電機E2作為電動機或者發(fā)電機工作模式下，選取勻加速和穩(wěn)速工況進行試驗驗證。

3.2.1純電動模式5～58 km/h勻加速工況

純電動模式5～58 km/h勻加速工況下，E2電機輸出扭矩40 N·m,對齒輪系統(tǒng)優(yōu)化前后的噪聲試驗測量結果進行對比分析。圖6為測得的前后端麥克風噪音總值的比較。

由圖6可知：齒輪優(yōu)化后，在純電動模式5～58 km/h勻加速工況下，麥克風測得的箱體前后端整體噪音降低明顯，截取25.66 s時前端麥克風的試驗結果，噪音從97.19 dB降低到87.17 dB，降低了10 dB左右；截取22.29 s和34.68 s后端麥克風的測試結果，噪音分別降低了13 dB和4 dB左右，整體降噪效果十分明顯。

由麥克風測量也可得頻譜圖，圖7為改進后前端麥克風頻譜圖。齒輪優(yōu)化后，在此測試工況下行星排齒輪噪音降低，一階嘯叫強度和二階嘯叫強度得到明顯改善，降噪的效果十分明顯。

圖5 噪聲測試系統(tǒng)流程圖6 5～58km/h勻加速工況噪音總值比較

3.2.2 純電動模式58 km/h穩(wěn)速工況

在純電動模式58 km/h的穩(wěn)速工況下，以大電機E2作為電動機和發(fā)電機進行噪聲測試，得到齒輪優(yōu)化前后的測試結果。圖8為后端麥克風噪音總值的比較。

由圖8可見：在電動模式58 km/h，E2作為電動機，E2驅動扭矩臺階工況下，齒輪未優(yōu)化前箱體后端噪音值為99.51 dB，優(yōu)化后噪音值變?yōu)?8.95 dB,噪音降低10 dB左右，同樣可知，齒輪優(yōu)化后箱體前端噪音降低8 dB左右，降噪明顯。同時，發(fā)現(xiàn)新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)象，隨力矩變化比較平緩，說明噪音與負載沒有直接關系。

圖7 改進后前端麥克風頻譜圖圖8 E2驅動電動模式58km/h后端麥克風噪音總值比較

圖9　E2發(fā)電機電動模式58 km/h前端麥克風噪音總值比較

在電動模式58 km/h，E2作為發(fā)電機，E2發(fā)電扭矩臺階工況下，對前端麥克風噪音進行比較，見圖9。截取26.26 s和240.99 s觀察齒輪優(yōu)化前后噪音測試結果。由圖9可知：齒輪優(yōu)化后箱體降噪明顯，并且與E2驅動扭矩工況相似，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)象，隨力矩變化比較平緩，進一步說明噪音與負載沒有直接關系。

4結論

(1)齒輪接觸狀況不良噪音過大是變速箱的主要噪聲來源，在特定純電動工況下，選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案，運用Kiss soft軟件對齒輪進行修形優(yōu)化，齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性得到了很好的改善。

(2)根據(jù)修形前后的齒輪參數(shù)制造出來的齒輪，依據(jù)變速箱臺架試驗，選取混合動力汽車常用車速，在純電動工況下分別進行5～58 km/h勻加速和58 km/h穩(wěn)速的噪音試驗。對比齒輪優(yōu)化前后的測試結果，齒輪優(yōu)化后箱體噪音得到明顯改善。并且發(fā)現(xiàn)在純電動工況下，噪音與負載沒有直接關系，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)象，隨力矩變化比較平緩，前端變速箱比后端改善大。

(3)齒輪修形優(yōu)化之后，箱體的噪音明顯降低，NVH性能得到明顯改善，證明了齒輪修形優(yōu)化對整個混合動力汽車的減振降噪具有重要意義。

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中圖分類號：TH113.1；U463.212

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-09-16

作者簡介：潘公宇(1965-),男,江蘇鎮(zhèn)江人,教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為車輛系統(tǒng)動力學.

基金項目：國家“863”計劃基金項目(2011AA11A207)；江蘇省汽車工程重點實驗室基金項目(QC201304)

文章編號：1672-6871(2016)03-0010-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.003