整體式輕型電驅(qū)橋減速器齒輪優(yōu)化設(shè)計

周長波

創(chuàng)建了1個整體式輕型電驅(qū)橋MASTA模型來分析減速器的振動-噪聲-平順性（NVH）性能，包括電機轉(zhuǎn)子軸、減速器齒軸、軸承及差速器和半軸?；赒C/T568變速器臺架測試方法推導(dǎo)出負(fù)荷譜用于早期分析預(yù)測減速器的NVH性能，確認(rèn)齒輪錯位量、齒面接觸應(yīng)力與分布位置和峰-峰傳動誤差（TE）值在NVH性能要求的范圍內(nèi)。通過整車NVH試驗結(jié)果表明， 基于MASTA模型優(yōu)化的齒輪修形方案，NVH性能主、客觀評價均滿足了整車要求。

整體式輕型電驅(qū)橋;齒輪修形;仿真分析

0?前言

隨著汽車行業(yè)“新四化”趨勢的不斷深入，純電動等新能源車型越來越普遍。在乘用車市場，三合一電驅(qū)動系統(tǒng)（EDU）的技術(shù)已比較成熟。近年來，針對商用車市場開發(fā)的整體式電驅(qū)橋產(chǎn)品（圖1）成為1種新的技術(shù)路線，相比以傳統(tǒng)動力整車架構(gòu)為基礎(chǔ)開發(fā)的前置電機通過傳動軸直驅(qū)到傳統(tǒng)后橋的布置方案，整體式電驅(qū)橋在承載式剛性橋殼上集成了電機和減速器，具有集成度高、傳動效率高、總體方案質(zhì)量輕等技術(shù)優(yōu)勢，而且為增大動力電池的布置空間提供了條件（圖2）。

齒輪是整體式輕型電驅(qū)橋減速器動力傳遞的關(guān)鍵載體， 也是電驅(qū)橋減速器噪聲產(chǎn)生的主要來源。近年來， 齒輪傳動振動-噪聲-平順性（NVH）改善研究已成為電驅(qū)橋傳動系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程中的關(guān)鍵工作。本文以某款電動皮卡整體式輕型電驅(qū)橋減速器為研究對象， 利用 MASTA 軟件創(chuàng)建了1個整體式電驅(qū)橋模型， 基于QC/T568變速器臺架測試方法推導(dǎo)出了負(fù)荷譜，從而創(chuàng)建了8種工況用于分析減速器的NVH性能，包括分析齒輪的傳動誤差（TE）和齒面最大接觸應(yīng)力變化。通過優(yōu)選該減速器兩級齒輪優(yōu)化后的最佳修形參數(shù)，仿真分析的齒輪錯位量和峰-峰TE值在工程經(jīng)驗推薦值范圍內(nèi)，實車驗證該優(yōu)化方案的電驅(qū)橋NVH性能也滿足了整車要求。

1?齒輪噪聲產(chǎn)生機理

齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的激勵源是齒輪嚙合時存在的傳動誤差，形成激振力，引起傳動系統(tǒng)的振動響應(yīng)，振動響應(yīng)傳遞到減速器外部的殼體、懸架、車身等結(jié)構(gòu)的過程中而引發(fā)嘯叫，造成客戶抱怨。一般電驅(qū)橋減速器噪聲傳遞途徑如圖3所示。齒輪嘯叫具有單一階次的高頻特征，頻率一般為700～4 000 Hz，由嚙合齒輪傳動誤差的峰值決定。傳動誤差是指驅(qū)動輪以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)時，被動輪的實際轉(zhuǎn)速發(fā)生滯后于驅(qū)動輪的現(xiàn)象。理論上齒輪是漸開線形狀，在系統(tǒng)絕對剛性且沒有安裝誤差的情況下，齒輪嚙合無傳動誤差。在工程應(yīng)用中， 由于齒輪加工制造、減速器安裝誤差及材料彈性變形等各因素， 傳動誤差會客觀存在。

2?齒輪修形及MASTA仿真

2.1?齒廓修形

材料彈性力學(xué)使得齒輪組嚙合時，主、被動齒輪可簡化為圍繞軸心線旋轉(zhuǎn)的懸臂梁模型[1]，在承受負(fù)荷時會產(chǎn)生彎曲變形， 而且齒面接觸區(qū)域存在彈性形變。另外，齒輪制造加工誤差、殼體加工誤差、裝配等各種誤差的客觀影響， 造成齒輪實際嚙合點與理論嚙合區(qū)域存在偏移， 產(chǎn)生了嚙合沖擊激勵。為了減少齒輪嚙合時產(chǎn)生的誤差，在設(shè)計早期應(yīng)該對齒輪的NVH做仿真預(yù)測。齒形修形是優(yōu)化齒輪接觸位置和應(yīng)力大小的有效方法，微觀修形可以針對嚙合的一對齒輪，也可只做單齒輪修形優(yōu)化，在工程實踐中通常更多采取對單一齒輪修形，其具備較高的生產(chǎn)效率和較低的生產(chǎn)成本。通常齒廓修形的關(guān)鍵影響因子有輪廓修形、寬度、齒根和齒頂修形，其中齒根修形參數(shù)的確定，需要兼顧修形參數(shù)的選擇同時考慮齒軸的安全系數(shù)，避免齒根修形過大引起齒輪齒根彎曲強度的降低。圖4展示了齒廓修形的常規(guī)形式，包括左右端直線修形、螺旋線修形和鼓性修形。具體齒廓修形的方案選擇，需綜合考慮輸入負(fù)荷激勵的大小、傳遞路徑的剛度及易加工等因素，結(jié)合NVH仿真工具優(yōu)選齒廓修形方案。

2.2?齒向修形

在承受負(fù)荷的工況下，齒軸材料產(chǎn)生了相應(yīng)的圍繞旋轉(zhuǎn)軸心線的變形，還有客觀存在的齒輪加工誤差和減速器的裝配誤差， 綜合產(chǎn)生了齒向上與理論嚙合區(qū)的偏差。通過對齒向方向的修形優(yōu)化，可以合理的分配齒面接觸位置及大小。通常齒向修形有直線修形及鼓形修形2種形式（圖5）。

綜合工程開發(fā)經(jīng)驗，齒輪設(shè)計優(yōu)化微觀修形應(yīng)達(dá)到下列目標(biāo)：

（1） 優(yōu)選在齒面中心接觸，充分利用齒寬，避免邊緣和齒頂受載;

（2） 電動車（EV）減速器輸入級齒輪轉(zhuǎn)速很高，其峰-峰TE值應(yīng)小于2 μm;

（3） 最小化最大接觸應(yīng)力和齒面負(fù)荷分布系數(shù);

（4） 傳動誤差和齒面接觸應(yīng)力作為修形設(shè)計、調(diào)整的依據(jù)[2]。

2.3?MASTA軟件仿真

MASTA軟件可以對齒輪尺寸、剛度調(diào)制以及基于具體齒輪材料進(jìn)行加載條件下的齒面接觸分析?；谟邢拊治龇椒?，合理定義各連接副的約束，可以更加準(zhǔn)確地完成齒輪嚙合動態(tài)分析。通常需要基于實際的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)建齒輪箱的模型、其次需要定義車輛的實際運行負(fù)荷譜，通過不斷地調(diào)整齒輪微觀修形參數(shù)，分析齒輪嚙合過程中的激勵大小。該電驅(qū)橋減速器結(jié)構(gòu)為典型的兩級減速平行軸式布置，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過對不同齒面參數(shù)的迭代分析和計算，優(yōu)選的兩級主從動齒輪副修形關(guān)鍵參數(shù)如表1，基于QC/T568變速器臺架測試方法，轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的NVH負(fù)荷譜（見表2），基于上述參數(shù)和負(fù)荷譜應(yīng)用MASTA軟件對電驅(qū)橋減速器的傳動特性進(jìn)行分析研究。

3?齒輪錯位量分析

評價齒輪實際嚙合與理想嚙合位置的偏差，定義為齒輪錯位量。通常在工程應(yīng)用中，重合度、系統(tǒng)剛度、殼體架構(gòu)均會引起齒輪錯位的變化，常規(guī)的解決方式是增加齒輪的嚙合剛度，提高支撐剛性，從而減少錯位量，保證嚙合平順。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于電驅(qū)橋減速器齒輪正驅(qū)、滑行工況的錯位量目標(biāo)設(shè)定為±50 μm。

基于表1的齒面修形參數(shù)和表2的NVH負(fù)荷譜，應(yīng)用MASTA軟件對該電驅(qū)橋減速器的齒輪錯位量分析結(jié)果如圖7所示。

分析結(jié)果表明輸入級齒輪在75%驅(qū)動模式、100%驅(qū)動模式和100%滑行模式下齒輪錯位量分別優(yōu)于目標(biāo)值12 μm、2 μm和10 μm。在所有正驅(qū)工況下輸出級齒輪錯位量都很小，滑行模式下錯位量略大，但在100%滑行模式下依然優(yōu)于目標(biāo)值7 μm?；贛ASTA軟件的錯位量分析結(jié)果可知，輸入和輸出級齒輪錯位量在常用的低扭矩驅(qū)動模式和滑行模式下表現(xiàn)良好。

4?齒輪嚙合斑點分析

綜合修形后各工況負(fù)荷下都較好地實現(xiàn)了全齒面接觸，有效避免了邊緣和齒頂受到負(fù)荷造成的應(yīng)力集中，齒面負(fù)荷的分布較合理，表明該修形參數(shù)下的齒輪接觸斑點位置及大小是可以接受的。

5?齒輪傳動誤差仿真分析

輸入級、輸出級齒輪修形后的傳動誤差仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

通過對輸入級齒輪修形的傳動誤差分析可以看到：

（1） 在正驅(qū)和滑行工況下峰-峰TE都很小。最高的峰-峰TE發(fā)生在50%驅(qū)動模式和50%滑行模式，分別為0.71 μm和0.66 μm，結(jié)果優(yōu)于EV減速器要求的目標(biāo)值。

（2） 峰-峰TE可以分解到成分諧波（圖8顯示的前三階諧波）中。在所有工況下，TE的主要貢獻(xiàn)是一階諧波并隨著諧波數(shù)目的增加而呈指數(shù)衰減。

（3） 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動模式和50%滑行模式，分別為0.34 μm 和 0.32 μm。與峰-峰TE類似，結(jié)果優(yōu)于EV減速器要求的目標(biāo)值，所有其他工況也滿足單諧波振幅的目標(biāo)值。

通過對輸出級齒輪修形的傳動誤差分析可以看到：

（1） 在正驅(qū)和滑行工況下峰-峰TE值都較小。最高的峰-峰TE發(fā)生在50%驅(qū)動模式和50%滑行模式，分別為1.09 μm 和 1.12 μm，結(jié)果優(yōu)于EV減速器要求的目標(biāo)值。所有其他工況的峰-峰TE值也都優(yōu)于目標(biāo)值。

（2） 峰-峰TE可以分解到成分諧波（圖9顯示的前三階諧波）中。在所有的工況下，TE的主要貢獻(xiàn)是一階諧波并隨著諧波數(shù)目的增加而呈指數(shù)衰減。

（3） 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動模式和50%滑行模式下，分別為0.50 μm 和 0.52 μm。與峰-峰TE類似，結(jié)果優(yōu)于EV減速器要求的目標(biāo)值，所有其他工況也滿足單諧波振幅的目標(biāo)值。

6?試驗驗證

針對電驅(qū)橋NVH性能評價的方法通常是對齒輪的階次噪聲基于整車測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，階次分解本質(zhì)上是基于參考軸轉(zhuǎn)速的頻率分析[3]。整車技術(shù)規(guī)范一般要求電驅(qū)橋減速器齒輪嚙合階次噪聲低于整車Overall噪聲10 dB（A）以上，在試驗過程中振動傳感器及傳聲器布置位置如圖10所示。

綜合分析該電驅(qū)橋在整車上的NVH客觀測試數(shù)據(jù)（見圖11），在整個車輛速度區(qū)間內(nèi)，減速器齒輪的階次噪聲與車內(nèi)駕駛員噪聲Overall的差距均在10 dB（A）以上，主觀評價NVH性能較好，可以滿足整車標(biāo)準(zhǔn)要求。

7?結(jié)語

基于MASTA軟件完成了整體式輕型電驅(qū)橋減速器齒輪的優(yōu)化設(shè)計和NVH性能相關(guān)參數(shù)的分析，通過實車驗證表明仿真結(jié)果與實際的整車主、客觀測試結(jié)論關(guān)聯(lián)性較好。在類似的減速器產(chǎn)品開發(fā)中，可參考該仿真分析方法開展前期優(yōu)化設(shè)計。

[1]詹東安，唐樹為.高速齒輪齒部修形技術(shù)研究[J].機械設(shè)計，2000，17（8）：8-10.

[2]孫建國，林騰蛟，李潤方.漸開線齒輪動力接觸有限元分析及修形影響[J].機械傳動，2008，32（2）：57-59.

[3]周冠嵩， 吳光強.基于階次分析的客車變速器噪聲試驗[J] .現(xiàn)代制造工程， 2007（11）：85-112.