基于某軟件的輪邊電機(jī)橋齒輪設(shè)計(jì)及優(yōu)化

儲(chǔ)鋒，丁煒琦，張輝，馮澤功

（陜西漢德車橋有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

基于某軟件的輪邊電機(jī)橋齒輪設(shè)計(jì)及優(yōu)化

儲(chǔ)鋒，丁煒琦，張輝，馮澤功

（陜西漢德車橋有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

市場(chǎng)上12米電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多采用市場(chǎng)現(xiàn)有成熟資源，其車橋匹配采用傳統(tǒng)13t客車后驅(qū)動(dòng)橋。其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速低、扭矩大。設(shè)計(jì)輪邊電機(jī)橋需求一種匹配高速電機(jī)的減速齒輪，但與傳統(tǒng)13t客車后驅(qū)動(dòng)橋齒輪差別很大。研究講述使用某齒輪設(shè)計(jì)軟件對(duì)高速齒輪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

輪邊電機(jī)橋；減速齒輪

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-09-03

引言

市場(chǎng)上常見12m電動(dòng)公交車動(dòng)力系統(tǒng)與輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋匹配參數(shù)對(duì)比如下表：

表1 12米電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案對(duì)比

通過對(duì)比可得，輪邊電機(jī)一級(jí)減速齒輪的轉(zhuǎn)速是傳統(tǒng)車橋的2.4倍。高轉(zhuǎn)速齒輪在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，必須關(guān)注對(duì)減速箱的噪音指標(biāo)。本文重點(diǎn)講述通過某齒輪設(shè)計(jì)軟件計(jì)算輪邊電機(jī)減速箱一級(jí)減速齒輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1、設(shè)計(jì)輸入載荷譜的確定

參考常規(guī)電動(dòng)公交車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，將電機(jī)工況歸納總結(jié)為如下七個(gè)典型工況：全油門起步、中扭矩工況、中低扭矩工況、小扭矩工況、高速工況、再生制動(dòng)工況、倒車工況。

2、齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化

將電機(jī)工況頻譜譜作為一級(jí)減速齒輪的輸入載荷；齒輪使用壽命按照B10壽命80萬(wàn)公里進(jìn)行設(shè)計(jì)，取1.5倍系數(shù)；齒輪材料參數(shù)按照 ISO 6336-5 圖9/10 MQ質(zhì)量等級(jí)。采用某齒輪設(shè)計(jì)軟件對(duì)圓柱齒輪進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。部分參數(shù)如表2。

齒輪強(qiáng)度方面：初步校核，齒輪齒根彎曲安全系數(shù)、齒面接觸安全系數(shù)、齒面膠合安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。從分項(xiàng)計(jì)算看，以下兩方面需要進(jìn)行優(yōu)化：

表2 齒輪初步設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）齒面嚙合瞬時(shí)溫度較高。齒面接觸溫度分布如圖1，齒寬方向80%區(qū)域嚙出點(diǎn)瞬時(shí)溫度大于250℃，達(dá)到了低溫回火的溫度，尤其是齒面嚙出時(shí)最高溫度達(dá)到324℃。對(duì)于高轉(zhuǎn)速齒輪來(lái)說(shuō)需要適當(dāng)降低齒面嚙合溫度，以免對(duì)減速箱油溫及齒面組織形成不利的影響。造成嚙出齒面溫度高主要有兩方面原因：

圖1 齒輪齒面接觸溫度分布圖

①齒面滑移速度大。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=6000rpm時(shí)，最大滑移速度達(dá)到7.143m/s，是嚙出位置齒面溫度高的主要原因。主、被動(dòng)圓柱齒輪齒面滑移分布如圖2、圖3；由圖可知，可通過適當(dāng)調(diào)整主、被動(dòng)圓柱齒輪變位系數(shù)，使節(jié)線位置靠近主動(dòng)圓柱齒輪齒頂、被動(dòng)圓柱齒輪齒根。從而減小齒輪嚙出時(shí)的滑移速度。

圖2 主動(dòng)圓柱輪齒面滑移分布

圖3 被動(dòng)圓柱輪齒面滑移分布

②齒面嚙出接觸應(yīng)力過大。從圖4齒面應(yīng)力分布圖可知：最大載荷下，齒面嚙入、嚙出時(shí)接觸應(yīng)力均處于較小的水平，因此不需要對(duì)齒面接觸應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 齒輪齒面接觸應(yīng)力分布圖

（2）噪音的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前汽車工業(yè)圓柱齒輪的經(jīng)濟(jì)制造精度為6級(jí)，一般推薦線速度不超過18m/s。而本產(chǎn)品受強(qiáng)度及空間結(jié)構(gòu)的限制，線速度為21.2 m/s，超出設(shè)計(jì)規(guī)范17%。為保證整橋噪音達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)，需要將噪音做到最優(yōu)設(shè)計(jì)。接觸剛度的變化量是衡量齒輪噪音的主要參數(shù)之一。因此在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，需要將主、被動(dòng)圓柱齒輪接觸剛度的變化量做到最優(yōu)。如圖5所示為齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力、接觸剛度變化量?jī)?yōu)化出的112中齒輪參數(shù)方案。

圖5 齒輪優(yōu)化參數(shù)方案

結(jié)合齒面溫度與接觸剛度變化量的優(yōu)化，優(yōu)化后齒輪參數(shù)如表3所示。

齒面膠合安全系數(shù)達(dá)到3.08，提升6.49%；齒面溫度分布圖如圖6所示，溫度最高點(diǎn)為206.2℃，嚙入、嚙出時(shí)瞬時(shí)溫度為240℃左右。

齒輪嚙合重合度達(dá)到2.39，較初始設(shè)計(jì)增大8.6%；最大輸入扭矩情況下，接觸剛度變化量為+0.19N/mm/μm，下降83%。

表3 齒輪優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 齒輪齒面接觸溫度分布圖

3、結(jié)論

因輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋工況與普通13t后驅(qū)動(dòng)橋差別很大，在齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)法通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)強(qiáng)度、噪音、油溫進(jìn)行評(píng)價(jià)，本研究通過某齒輪設(shè)計(jì)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化控制，減小齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量，尤其是針對(duì)載荷譜的齒輪設(shè)計(jì)。同時(shí)減少齒輪設(shè)計(jì)的盲目性，在強(qiáng)度、噪音之間達(dá)到精確的平衡設(shè)計(jì)。

[1] 薩本吉.高速齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[2] 王知行.齒輪噪音的影響因素及設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),No. 5.1980.

[3] 徐衛(wèi)權(quán).一種有效提高齒輪彎曲強(qiáng)度和降低齒輪噪音的方法.齒輪傳動(dòng).

[4] 趙登利.基于KISSsoft的齒輪修行優(yōu)化設(shè)計(jì).北京:風(fēng)電技術(shù).

[5] ISO 6336 Calculation of load capacity of spur and helical gears,2003.

Hub Reduction E-drive Axle Gear Design And Optimization Based on Gear Design Software

Chu Feng, Ding Weiqi, Zhang Hui, Feng Zegong
( Shaanxi Hande Axle Co., LTD, Shaanxi Xi'an 710201 )

The powertrain of 12 meter buses on the market always apply the exiting resource, the drive axle is traditional 13 ton bus axle.It, s characteristic is low input rotate speed,large input torque.Now, it, s needed a pair reduction gear to match high speed motor when designing the Hub Reduction E-drive Axle, but it, s different from traditional 13 ton bus axle gear. This research describe how to design and optimit the high speed gears based on Gear Design Software.

rim motor bridge; Reduction gear

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-09-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.004

儲(chǔ)鋒，就職于陜西漢德車橋有限公司。