基于齒輪修型的減速器嘯叫優(yōu)化

武俊杰 劉佳

摘要：電動(dòng)車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)中，減速器經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生嘯叫聲，嚴(yán)重影響車(chē)內(nèi)成員的舒適性。本文主要通過(guò)主觀和客觀數(shù)據(jù)分析問(wèn)題主要來(lái)源，然后運(yùn)用仿真手段進(jìn)行齒輪微觀修形降低齒輪傳遞誤差，從而優(yōu)化減速器嘯叫問(wèn)題。數(shù)據(jù)表明針對(duì)齒輪進(jìn)行微觀修形能有效解決減速器嘯叫問(wèn)題，提升電動(dòng)車(chē)NVH性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē);減速器;嘯叫;傳遞誤差（3E）

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）

05-0016-04

武俊杰

現(xiàn)就職于中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，本科學(xué)歷、任NVHS.程師，主要研究整車(chē)及動(dòng)力總成NVH性能。

1 背景

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)越來(lái)越重視，國(guó)內(nèi)各大廠商以及造車(chē)新勢(shì)力都在新能源汽車(chē)方向投人了大量的精力，尤其對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)。純電動(dòng)汽車(chē)相比傳統(tǒng)汽油車(chē)有很多的優(yōu)點(diǎn)，低碳環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性，但也存在一些噪聲問(wèn)題。由于失去了發(fā)動(dòng)機(jī)的屏蔽效應(yīng)，電動(dòng)車(chē)的風(fēng)噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來(lái)，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級(jí)數(shù)值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會(huì)讓人感到煩躁而難以接受，人耳對(duì)‘其非常敏感，嚴(yán)重的影響車(chē)內(nèi)成員的舒適性和形勢(shì)品質(zhì)，所以必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高車(chē)內(nèi)NVH水平。

2 嘯叫問(wèn)題與優(yōu)化方法

2.1 嘯叫問(wèn)題

本文此次優(yōu)化的是電動(dòng)車(chē)的單級(jí)減速器，車(chē)內(nèi)成員在加速過(guò)程中，能聽(tīng)到明顯的嘯叫聲（俗稱(chēng)“口哨聲”）。經(jīng)過(guò)主觀判斷初步確定此噪聲是由減速器產(chǎn)生。隨后在整車(chē)半消聲室四驅(qū)靜音轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)客觀數(shù)據(jù)測(cè)試，采用階次分析方法并采用濾波回放等技術(shù)手段，判定此問(wèn)題是由減速器第二級(jí)齒輪嚙合產(chǎn)生的10.38階次噪聲引起，由圖1所示。減速器嘯叫問(wèn)題，主要是由于齒輪嚙合過(guò)程中傳遞誤差過(guò)大引起，通過(guò)齒輪軸，傳遞到軸承座最后通過(guò)殼體向外傳遞振動(dòng)噪聲[1]。

2.2 優(yōu)化方法

減速器嘯叫噪聲是齒輪箱彈性系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)載荷作用下產(chǎn)生的剛?cè)狁詈享憫?yīng)。齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)分內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)。內(nèi)部激勵(lì)是齒輪副在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，這是齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因。內(nèi)部激勵(lì)主要由時(shí)變嚙合剛度、傳遞誤差等因素引起;外部激勵(lì)是由電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、連接花鍵間隙等產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)沖擊。

優(yōu)化減速器嘯叫間題有多種途徑，首先可以降低減速器本體的內(nèi)部激勵(lì)，如剛度激勵(lì)，增加齒輪的重合度;誤差激勵(lì)，優(yōu)化齒輪齒形，提高加工、安裝精度等[3];也可以通過(guò)合理布置軸系、優(yōu)化減速殼體避開(kāi)共振區(qū)域等方式;同時(shí)也可以從傳遞路徑上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)外部傳遞路徑的不同，分為結(jié)構(gòu)傳遞路徑（懸置和車(chē)身）和空氣傳遞路徑（聲學(xué)包），如降低懸置橡膠剛度增大階次隔振率、包裹動(dòng)力總成、加強(qiáng)車(chē)內(nèi)聲學(xué)包裝增強(qiáng)對(duì)嘯叫聲的吸收等措施[5]。綜合考慮到成本以及方案實(shí)施難度，本文最終決定對(duì)齒輪進(jìn)行微觀修形，降低齒輪的傳遞誤差，從而優(yōu)化減速器嘯叫問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)齒輪齒形進(jìn)行微觀的修形，可以顯著的的改善輪齒的載荷分布，減小齒輪內(nèi)部激勵(lì)如剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)、嚙合激勵(lì)等，從而優(yōu)化齒輪嘯叫噪聲。

2.3 傳遞誤差（TE）

齒輪嘯叫噪聲是由齒輪嚙合動(dòng)態(tài)激勵(lì)引起的穩(wěn)態(tài)噪聲，是由受載齒輪嚙合過(guò)程中的傳遞誤差TE（Transmission Error）引起并通過(guò)頻率的調(diào)諧產(chǎn)生的一種噪聲。傳遞誤差是引起齒輪嘯叫噪聲的根本原因。齒輪在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，由于齒輪加工誤差、裝配誤差、箱體及支撐件（軸、軸承）彈性變形等原因，使得實(shí)際嚙合與理論嚙合產(chǎn)生偏差，從而產(chǎn)生激勵(lì)力引起振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)支撐件以及箱體傳遞，從而輻射出噪聲。

傳遞誤差是用來(lái)描述齒輪傳動(dòng)不平穩(wěn)的參數(shù)。理想中漸開(kāi)線(xiàn)齒輪相互嚙合是沒(méi)有傳遞誤差的，從動(dòng)輪會(huì)按照固定的傳遞率沿著主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，但是現(xiàn)實(shí)中，由于傳遞誤差，導(dǎo)致從動(dòng)輪會(huì)隨機(jī)的超前或落后其理論運(yùn)動(dòng)位置[2]。

理想狀態(tài)：ω₁×R₁=ω₂×R₂

實(shí)際狀態(tài)：TE=∫（ω₁×R₁-ω₂×R₂）《d

3 模型建立與模型校驗(yàn)

3.1 三維模型建立

根據(jù)廠商提高的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型建立，包括齒輪軸、齒輪、軸承、殼體等相關(guān)數(shù)據(jù)，由圖3所示：

首先根據(jù)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，第二級(jí)齒輪對(duì)的相關(guān)參數(shù)，由表1所示：

3.2 三維模型校驗(yàn)

將齒輪參數(shù)輸入到三維模型中，并對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)分析，分析輪齒接觸情況。對(duì)比仿真與試驗(yàn)所得的齒面接觸斑點(diǎn)結(jié)果（如圖4所示）可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，仿真模型較為準(zhǔn)確，仿真模型可以用于后續(xù)優(yōu)化分析。同時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均表明，齒面接觸處存在偏載問(wèn)題，齒輪嚙合效果較差，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[4]。

4 方案驗(yàn)證

4.1 修形方案

基于遺傳算法，在現(xiàn)有加工技術(shù)條件下，對(duì)齒輪副的修形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，參數(shù)變量主要包括齒頂修緣量（Tr）、齒向鼓形量（Cβ）、齒向傾斜量（fHβ）、漸開(kāi)線(xiàn)鼓形量（Ca）和漸開(kāi)線(xiàn)傾斜量（fHa）。根據(jù)日常使用頻率，參數(shù)優(yōu)化工況主要參考50%最大扭矩。轉(zhuǎn)速為4000rpm，扭矩為67.5N。

考慮各工況仿真結(jié)果，針對(duì)第二級(jí)齒輪主被動(dòng)齒進(jìn)行了如表2所示的微觀參數(shù)修形。

修形前傳遞誤差峰峰值為0.97um，誤差曲線(xiàn)存在突變，證明高頻諧波過(guò)大;齒面應(yīng)力偏載，偏向一側(cè)，修形后傳遞誤差峰峰值減小到0.21um，誤差曲線(xiàn)光滑無(wú)突變，如圖6所示;齒面應(yīng)力集中，不存在偏載現(xiàn)在。通過(guò)以上修形方案降低齒輪傳遞誤差以及優(yōu)化齒面接觸應(yīng)力，如圖7所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的減速器裝載到整車(chē)上，在相同測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)減速器第二級(jí)齒輪嚙合頻率聲壓級(jí)降低，如圖8、圖9）fr示。

5 結(jié)論

1）通過(guò)主觀及客觀測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題車(chē)內(nèi)嘯叫產(chǎn)生的部件以及原因;

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合進(jìn)行齒輪微觀修形方案的驗(yàn)證及優(yōu)化;

3）齒輪齒面接觸以及傳遞誤差的分析，可以作為齒輪嘯叫評(píng)估的依據(jù)，能更好的指導(dǎo)修形的方向;

4）通過(guò)降低傳遞誤差，可以有效的降低激勵(lì)源激勵(lì)，從而對(duì)減速器進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李潤(rùn)方，王建軍齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：振動(dòng)、沖擊、噪聲科學(xué)出版社，1997.

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[4]Moon-Gon Kim，Geum-Yong jeon，"AnAnalytical Method to Reduce Gear Whine Noise，Including Validation with Test Data，" SAE TechnicalPaper 2005-01-1819.

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