電動車減速器齒輪傳遞誤差綜合影響因素研究

史同杰 岳貴平 牛文博 姜永順1

摘 ?要：本文主要針對電動汽車減速器齒輪傳遞誤差影響因素開展研究。由于制造與安裝誤差、運行中受力變形以及齒面的微觀修形等，齒輪不能在全齒面上共軛接觸，齒輪嚙合點會偏離理論嚙合線一定距離，從而產(chǎn)生傳動誤差，成為齒輪振動噪聲的主要激勵源。本文以減速器斜齒圓柱齒輪為例，研究其傳遞誤差影響因素，降低傳遞誤差峰-峰值至0.1μm水平，并以某款電動車減速器一級齒輪副為例進行仿真優(yōu)化及整車車內(nèi)噪聲驗證。

關鍵詞：傳遞誤差;減速器;齒輪嘯叫

中圖分類號：U463.212 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0059-06

Research on Gear Transmission Error Comprehensive Affecting Factors of Electric Vehicle Reducer

SHI Tong-jie1， 2， YUE Gui-ping1， 2， NIU Wen-bo1， 2， JIANG Yong-shun1， 2

（1. General R&D Institute of China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130011， China;

2. State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control， Changchun 130011， China）

Abstract：This paper focuses on researching the influence factors of electric vehicle reducer gear transmission error. Due to multiple factors such as manufacturing， installation error， the mechanical deformation in the operation and gear tooth surface modification， gears can t be conjugated in the entire tooth contact surface. Gear mesh point will deviate from the theoretic meshing line a certain distance， resulting in transmission error， which becomes the main source of gear vibration and noise. This paper takes helical cylindrical gear of the reducer as an example to research the influence factors of gear transmission error， and reduces the transmission error peak-to-peak value to 0.1 μ m level. Finally the first gear pair of one e-drive reducer is optimized and applied on the vehicle to verify the noise performance improvement.

Key Words： Transmission Error; Gear Reducer; Gear Whine Noise

史同杰

畢業(yè)于吉林大學汽車工程學院，碩士研究生，現(xiàn)就職于中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院NVH研究所，電驅(qū)動系統(tǒng)NVH工程師，任中級工程師，已發(fā)表論文一篇。

引 ? ?言

減速器齒輪嘯叫問題是電驅(qū)動系統(tǒng)主要噪聲問題之一。失去了發(fā)動機的掩蔽效應，以及純電動車NVH性能要求的不斷提升，減速器齒輪嘯叫噪聲的要求日益嚴苛;另外由于目前純電動車常用的單擋兩級減速器，常用轉(zhuǎn)速和扭矩范圍較寬，需要兼顧各工況下的減速器噪聲表現(xiàn)[1，2]。

齒輪傳遞誤差是減速器總成噪聲的主要激勵來源，也是其產(chǎn)生嘯叫問題的主要原因。從噪聲源頭出發(fā)降低齒輪傳遞誤差激勵，是控制齒輪嘯叫噪聲的關鍵[3，4]。本文采用精確、有效的方法，對影響齒輪傳遞誤差的各方面因素進行計算研究，以最大限度的降低傳遞誤差激勵。

1 ? ?傳遞誤差及影響因素

理想工作狀態(tài)下，漸開線齒輪的從動輪將嚴格按照與主動輪之間的速比關系進行轉(zhuǎn)動，但是由于實際制造和安裝誤差等影響因素的存在，從動輪的實際旋轉(zhuǎn)角度不等于理論旋轉(zhuǎn)角度[5]。傳遞誤差就是實際與理論轉(zhuǎn)角的差值，一般用弧度或長度單位表示。其理論計算公式：

（1）

式中：EF1、EF2為實際齒輪的齒形誤差;ESAB是當前嚙合齒輪副與前一嚙合齒輪副之間的綜合齒距偏差;DB1、DB2為嚙合點處兩輪齒沿嚙合線的彎曲變形量，DH1、DH2為在嚙合點處兩輪齒沿嚙合線方向的接觸變形量[3]。

齒輪傳遞誤差激勵對齒輪振動噪聲起到?jīng)Q定作用的是其峰-峰值[6]，即PPTE，是指一個嚙合周期內(nèi)齒輪傳遞誤差最大值和最小值之間的差值，描述了齒輪傳遞誤差的變化范圍的大小，如下圖所示。

本文將從減速器內(nèi)部安裝誤差和系統(tǒng)變形、齒輪宏觀參數(shù)、齒面微觀修形、載荷變化等方面計算分析對齒輪PPTE影響。目前有多款商業(yè)軟件能夠?qū)X輪傳動系統(tǒng)進行精確地仿真建模與計算，如Romax、KISSsoft、MASTA等。本文中采用MASTA軟件進行減速器建模及齒輪傳遞誤差計算分析。

2 ? ?減速器仿真模型

依據(jù)某款減速器幾何模型搭建MASTA仿真模型。減速器采用單擋兩級減速方案，差速器與輸出軸集成一體。模型包含詳細的軸齒結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)等，具體參數(shù)信息如下：

采用有限元前處理軟件建立減速器殼體、差速器殼體及齒輪輻板模型并導入MASTA軟件，裝配并縮聚有限元結(jié)構(gòu)后的減速器總成如下：

仿真模型能夠模擬包含齒輪軸、輪齒、輪輻、軸承、殼體等剛度的系統(tǒng)變形和輪齒微觀變形等對齒輪傳遞誤差的影響。在仿真模型基礎上，對影響齒輪傳遞誤差的多個因素進行系統(tǒng)的計算分析。

3 ? ?齒輪傳遞誤差影響因素計算對比

3.1 ? 減速器總成級因素

總成部件對齒輪傳遞誤差的影響，主要是由于各部件加工與裝配誤差、受載變形等對齒輪錯位量的影響，進而對齒輪傳遞誤差產(chǎn)生影響[6]。

本節(jié)內(nèi)容主要模擬由于加工裝配、受載變形導致的軸承中心實際位置偏離理論位置而導致對齒輪傳遞誤差產(chǎn)生的影響。

3.1.1 總成加工與裝配因素

總成裝配因素主要是指軸承與箱體、軸承與軸的徑向裝配誤差、兩側(cè)箱體軸承孔位置度偏差等，使齒輪嚙合錯位量與傳遞誤差發(fā)生變化。模型中設置軸兩端軸承孔偏心0.04mm，對比軸承的徑向安裝偏差對PPTE影響，結(jié)果如下：

根據(jù)計算結(jié)果可以看到，在不同負荷下會產(chǎn)生0.1～0.2μm的差異，同一齒輪軸兩側(cè)軸承不同心量對PPTE有明顯影響。

3.1.2 軸承位置支撐剛度

軸承位置支撐剛度大小會影響到齒輪受載時的錯位量。從兩個方面提升支撐剛度：對減速器殼體，將其材料彈性模量提升2倍;對中間軸兩側(cè)軸承，兩深溝球軸承方案改為深溝球軸承與圓柱滾子軸承方案，對比計算齒輪PPTE變化，結(jié)果如下。

根據(jù)計算結(jié)果對比，在大扭矩工況下齒輪副PPTE差異相對明顯，提升支撐剛度能夠減小齒輪在大負載下的PPTE，但對于小扭矩下的PPTE改善不明顯。

3.2 ? 齒輪輪齒微觀參數(shù)

輪齒微觀修形的目的是盡可能地使齒輪受載變形后齒面壓力分布均勻，減少偏載，同時，輪齒在齒廓變形以后仍能保持運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，減少嚙入和嚙出沖擊。修行量過大可能會導致PPTE增大，過小有可能無法補償加工與裝配因素導致的錯位，適當?shù)奈⒂^修形參數(shù)是獲得最優(yōu)化的PPTE的關鍵[2]。在微觀修形參數(shù)的設置過程中，應考慮軸齒、箱體、軸承整體的加工與裝配精度，通過仿真和加工調(diào)整方式，在滿足要求的情況下，盡量減小修形。

減速器所采用的漸開線斜齒圓柱齒輪的常規(guī)修形類型有3種：齒形修形、齒向修形和齒頂?shù)菇?，其中齒形修形包括齒頂修緣、齒根修緣、齒廓鼓形和壓力角修形，齒向修形包括螺旋角修形、兩端減薄和齒向鼓形修形，齒頂?shù)菇欠譃閳A角和斜角[5]。本部分旨在分析各參數(shù)對PPTE影響，為簡化分析，以1級齒輪副為例，選擇主動輪工作齒面的齒向鼓形、螺旋角修形、壓力角修形、齒廓鼓形、齒頂修緣5個參數(shù)（見圖6），制定多個修形方案，見表2，計算結(jié)果見圖7。

對比方案1與方案3，過小的齒廓鼓形量，能夠降低低負荷下的PPTE，但中高負荷下PPTE會顯著增大;

對比方案3與方案4，過大的齒向鼓形量，能夠降低高負荷下的PPTE，但會使中低負荷的PPTE明顯增大;

對比方案1-4，適當?shù)倪x擇齒向、齒廓方向鼓形，能夠兼顧中小負荷與大負荷下PPTE，獲得較為理想的PPTE值。

對比方案2與方案5，方案5取消齒頂修緣后PPTE值減小，但對比兩方案50%負荷下應力分布（圖8），可以發(fā)現(xiàn)方案5在齒根處出現(xiàn)嚴重的應力集中，輪齒在嚙合時易產(chǎn)生沖擊并引起嘯叫，需要避免出現(xiàn)這種情況。

對比方案2與方案6，適當?shù)穆菪切扌文軌蛎黠@降低中高負荷下PPTE值。

對比方案6與方案7，適當?shù)膲毫切扌文軌蚋纳聘哓摵上翽PTE值。

根據(jù)各方案計算結(jié)果對比，應合理規(guī)劃各工況下的齒輪副接觸區(qū)的位置、形狀和大小，確定合理的齒輪微觀修形參數(shù)，在此基礎上盡量減小修形量，以獲得較理想的齒輪PPTE值。

3.3 ? 齒輪宏觀參數(shù)

研究表明齒輪宏觀參數(shù)變化對于齒輪PPTE的影響都源于其對重合度的影響[3]。優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)，提升齒輪重合度，是優(yōu)化齒輪振動噪聲的重要措施。本文通過修改齒輪螺旋角、齒寬、壓力角、模數(shù)等幾個宏觀參數(shù)，提升齒輪副重合度，對比幾個方案的齒輪PPTE值變化，見表3與圖9：

根據(jù)5個方案計算結(jié)果，重合度提升，在全載荷范圍內(nèi)齒輪副傳遞誤差峰-峰值均顯著降低。由齒輪宏觀參數(shù)決定的重合度大小對于齒輪PPTE影響起到最直接、最重要的影響。

4 ? ?各因素綜合對比分析

綜合以上計算分析，選擇對齒輪PPTE影響顯著的3種因素，對減速器1級齒輪副進行優(yōu)化設計，并對常規(guī)方案和優(yōu)化方案進行仿真對比分析及試驗驗證。

4.1 ? 兩方案齒輪PPTE計算對比

對比圖10中兩套齒輪設計方案的傳遞誤差仿真結(jié)果，系統(tǒng)地控制好減速器系統(tǒng)變形與安裝誤差、齒輪微觀和宏觀參數(shù)等因素，可以極大的降低齒輪PPTE值。中低負荷下優(yōu)化方案的傳遞誤差峰-峰值由0.4μm降低至0.1μm的水平。

4.2 ? 試驗驗證

應用以上兩套設計方案的減速器，搭載整車進行試驗測試，分別測試加速和滑行工況下減速器車內(nèi)階次噪聲。

測試結(jié)果如下圖所示（傳聲器布置于駕駛員左耳位置）：

根據(jù)實車測試結(jié)果，采用優(yōu)化方案的減速器車內(nèi)階次噪聲在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低3-5dB（A）。

試驗表明通過優(yōu)化設計齒輪副參數(shù)，降低齒輪傳遞誤差峰-峰值，能夠顯著降低減速器車內(nèi)階次噪聲。

5 ? ?總結(jié)

綜合分析減速器系統(tǒng)安裝誤差、齒輪宏觀和微觀參數(shù)等因素對齒輪PPTE的影響，可以得到以下結(jié)論：

1、軸承的安裝誤差對各個負荷下的傳遞誤差均有顯著影響，應盡量減小齒輪軸軸承的安裝誤差;

2、齒輪支撐剛度的提升，能夠明顯減小大負荷下的傳遞誤差;

3、在滿足空間等要求下，應盡量通過優(yōu)化宏觀參數(shù)提升齒輪副重合度;

4、進行合理的齒輪微觀修形，并盡量保證齒輪副接觸區(qū)在常用工況下合適的位置、形狀和大小，不擴展至齒面以外。

本文以實際產(chǎn)品為例，通過采取以上優(yōu)化措施，降低齒輪傳遞誤差峰-峰值至0.1μm的水平，實現(xiàn)了減速器車內(nèi)階次噪聲明顯降低，為減速器的NVH優(yōu)化提供了一般性的改進方向。

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