基于齒輪嚙合錯(cuò)位量優(yōu)化的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)嘯叫改善

程翔 吳佐來 魯方俊 葉輝

摘 ?要：齒輪嚙合錯(cuò)位量大小會(huì)直接影響齒輪的微觀修形設(shè)計(jì)難度和振動(dòng)噪聲結(jié)果。為優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品嘯叫問題，本文搭建了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Masta仿真分析模型，并從齒輻和殼體方面，詳細(xì)研究了齒輪嚙合錯(cuò)位量的優(yōu)化效果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)齒輪修形方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，實(shí)車搭載測試結(jié)果表明齒輪嘯叫噪聲改善效果良好。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；齒輪錯(cuò)位量；Masta仿真；齒輪修形

中圖分類號(hào)：U462 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）04-0040-05

Gear Whine Improvement of Electric Powertrain System based on the Gear Meshing Misalignment Optimization

CHENG Xiang， WU Zuo-lai， LU Fang-jun， YE Hui

（Wuxi CRRC-Hofer Powertrain Co.， LTD， Wuxi 214174， China）

Abstract：The value of gear meshing misalignment will directly affect the difficulty of gear modification and the noise and vibration result. In order to optimize the gear whine of electric powertrain product， the article had built the Masta simulation model of the electric powertrain system， and studied in detail of the gear wheel and housing optimization effect on the gear meshing misalignment. Based on the result and designed the new gear modification scheme， the vehicle test result showed that the gear whine had good improvement.

Key words： Electric Powertrain System; Gear Misalignment; Masta Simulation; Gear Modification

引 ? ?言

隨著客戶的不斷需求和產(chǎn)品競爭的不斷激烈和深化，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)面臨著原來越多的技術(shù)挑戰(zhàn)。NVH（振動(dòng)噪聲與聲振粗糙度）作為電驅(qū)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，也一直是行業(yè)的開發(fā)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，其中齒輪噪聲因其機(jī)理和產(chǎn)生原因的復(fù)雜性，在NVH開發(fā)過程中也成為了工程師重點(diǎn)研究和探討的焦點(diǎn)問題[1-2]。

理想的齒輪嚙合無彈性變形，即不產(chǎn)生嚙合誤差和振動(dòng)激勵(lì)，也不存在齒輪嘯叫問題。但齒輪實(shí)際嚙合過程中，因受載荷作用，齒輪、軸系和殼體會(huì)產(chǎn)生彈性變形或彎曲變形；因受加工誤差問題，系統(tǒng)各零部件尺寸存在公差；因受裝配誤差和間隙設(shè)計(jì)等問題，最終導(dǎo)致齒輪嚙合面產(chǎn)生偏移，脫離正常嚙合狀態(tài)產(chǎn)生錯(cuò)位接觸，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)和噪聲。

齒輪嚙合錯(cuò)位過大時(shí)，會(huì)直接影響后續(xù)微觀修形的優(yōu)化效果和加工質(zhì)量。常用新能源電驅(qū)總成齒輪微觀修形參數(shù)設(shè)計(jì)范圍有限，如齒廓鼓形和齒向鼓形，一般建議小于15μm，齒向螺旋角和齒廓壓力角也建議小于25μm，超過此范圍后，齒輪加工易產(chǎn)生扭曲，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和嘯叫表現(xiàn)。當(dāng)齒輪錯(cuò)位量較大時(shí)，在有限的修形參數(shù)范圍內(nèi)，很難通過齒面修形來修正齒輪接觸和降低齒輪傳遞誤差，嘯叫噪聲表現(xiàn)也會(huì)較差。齒輪嚙合錯(cuò)位量是齒輪NVH設(shè)計(jì)過程中重要的參考指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后，才能進(jìn)行后續(xù)的微觀修形設(shè)計(jì)，才能保證齒輪嘯叫噪聲有較好的表現(xiàn)。

本文以某電驅(qū)動(dòng)總成開發(fā)產(chǎn)品為例，分析了齒輪錯(cuò)位量的影響因素，并制定了具體的改善優(yōu)化方案，在產(chǎn)品實(shí)際測試中驗(yàn)證了方案優(yōu)化的有效性。

1 ? ?齒輪嚙合錯(cuò)位

齒輪嚙合錯(cuò)位量定義為兩齒面嚙合時(shí)沿著嚙合線方向偏差的最大值。斜齒輪嚙合呈線接觸形式，從齒面一角逐漸接觸到另一對(duì)角。嚙合過程中，接觸線均保持在同一嚙合平面內(nèi)，嚙合偏差可以參考軸線偏差。如圖1所示，為軸線平行度偏差[5]，軸線偏差分為軸線平面內(nèi)的偏差 ? ?和垂直平面上偏差 ? ?。軸線平面內(nèi)的偏差對(duì)齒輪錯(cuò)位影響大小為工作壓力角的正弦函數(shù)，而垂直平面上的偏差對(duì)錯(cuò)位影響是工作壓力角的余弦函數(shù)，較軸線平面內(nèi)的偏差影響更顯著。

影響齒輪嚙合錯(cuò)位量的因素有很多[3-4]，也挺復(fù)雜，大致可以分為如下幾類：1、因齒輪嚙合彈性變形導(dǎo)致；2、因支撐軸，軸承和殼體受載變形導(dǎo)致；3、因加工誤差和裝配誤差導(dǎo)致；4、因設(shè)計(jì)本身需要允許的間隙和熱膨脹導(dǎo)致。本文主要針對(duì)影響較大的前兩項(xiàng)設(shè)計(jì)端因素進(jìn)行詳細(xì)研究，以分析齒輪嚙合錯(cuò)位量的變化特性和優(yōu)化改善方向。

2 ? ?系統(tǒng)仿真模型搭建

以某款開發(fā)的動(dòng)力總成產(chǎn)品為例，基于Masta仿真分析軟件，搭建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析模型。依照?qǐng)D紙，分別搭建電機(jī)轉(zhuǎn)子總成，減速器輸入軸總成，中間軸總成，差速器總成，以及定義兩級(jí)齒輪參數(shù)，并定位裝配好各總成，設(shè)置連接關(guān)系，其中齒輪參數(shù)見表1所示。為更準(zhǔn)確的計(jì)算齒輪嚙合結(jié)果，將轉(zhuǎn)子總成，減速器軸系和齒輪均柔性化處理，并導(dǎo)入殼體有限元總成，設(shè)置邊界和耦合關(guān)系，最終模型搭建結(jié)果如圖2所示。

整個(gè)動(dòng)力學(xué)仿真模型搭建基于模態(tài)保持不變的原則，在連接，裝配和邊界約束設(shè)置時(shí)均采用RBE2設(shè)置連接關(guān)系。整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為多自由度彈性振動(dòng)系統(tǒng)，滿足多自由度系統(tǒng)微分方程[6]：

Mx+Cx+Kx=F （1）

式中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，x為振動(dòng)位移，F(xiàn)為外界激勵(lì)。在Masta仿真模型中，各部件進(jìn)行柔性化處理或者外部導(dǎo)入有限元替換時(shí)，均需要進(jìn)行縮聚計(jì)算，以求得各部件的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，阻尼矩陣一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接設(shè)定。

模型搭建完成后，為校核模型準(zhǔn)確性，進(jìn)行了臺(tái)架齒輪接觸斑點(diǎn)測試。如圖3所示，圖中分別為一對(duì)齒輪兩齒面臺(tái)架測試與仿真結(jié)果。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，仿真與測試接觸斑點(diǎn)分布一致，模型基本準(zhǔn)確，可以用于后續(xù)的計(jì)算分析工作。

3 ? ?齒輪嚙合錯(cuò)位量計(jì)算

在上述搭建的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，設(shè)定好工作運(yùn)行工況，即可計(jì)算出在整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的嚙合錯(cuò)位量，上表2所示為某級(jí)齒輪對(duì)實(shí)際工作時(shí)的錯(cuò)位量。

表中齒輪對(duì)嚙合錯(cuò)位量結(jié)果過大，最大錯(cuò)位量超過設(shè)計(jì)要求的30μm，故需要進(jìn)行優(yōu)化，下文將主要從齒輻和殼體兩方面進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。

3.1 ? 齒輻設(shè)計(jì)

齒輻作為齒輪主要支撐部位，在受載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的受力變形，繼而導(dǎo)致齒輪嚙合產(chǎn)生錯(cuò)位，影響齒輪嚙合平穩(wěn)性能。不同的齒輻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪嚙合錯(cuò)位影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。本例中，為降低嚙合錯(cuò)位量，對(duì)齒輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種設(shè)計(jì)更改，如圖4所示，分別在原始方案的基礎(chǔ)上，向左側(cè)偏置不同距離，并一一計(jì)算錯(cuò)位量結(jié)果。

由圖5對(duì)比結(jié)果可知，齒輻偏置方案2嚙合錯(cuò)位量曲線整體數(shù)值最小，較原始方案明顯減小，在最大工作扭矩工況下，錯(cuò)位量降低18μm，方案1效果次之。

為進(jìn)一步研究齒輻變更方案，同步進(jìn)行了去掉減重孔和齒輻加寬的方案，具體如圖6所示。

從圖7齒輪嚙合錯(cuò)位量結(jié)果對(duì)比可知，去掉減重孔和加厚齒輻均能減小錯(cuò)位量，但與偏置方案相比較，錯(cuò)位量減小幅度相對(duì)較小。

3.2 ? 殼體設(shè)計(jì)

殼體在承載軸承運(yùn)行過程中，會(huì)因受力產(chǎn)生變形，繼而使軸系偏離理想位置，并傳遞至齒輪，使齒輪嚙合產(chǎn)生錯(cuò)位，影響齒輪正常嚙合狀態(tài)。在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，需要針對(duì)殼體進(jìn)行相關(guān)仿真計(jì)算，并綜合考慮其對(duì)齒輪嚙合錯(cuò)位的影響。

原狀態(tài)齒輪嚙合錯(cuò)位量過大，故考慮從殼體端進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。殼體軸承座是主要的受載部位，當(dāng)其剛度不足時(shí)，容易導(dǎo)致受載變形過大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，故本文主要考慮嚙合齒輪對(duì)所對(duì)應(yīng)的殼體軸承座動(dòng)剛度優(yōu)化。針對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行工況所主要承載的軸承座，優(yōu)化了殼體局部的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，其動(dòng)剛度優(yōu)化結(jié)果如圖8-1，8-2，8-3所示。為方便計(jì)算統(tǒng)計(jì)，將原剛度大小用對(duì)數(shù)dB表示，dB=20log（N/m）。更改后的殼體在三個(gè)方向上的剛度均有提升，且針對(duì)剛度薄弱點(diǎn)優(yōu)化明顯。

將優(yōu)化后的殼體導(dǎo)入電驅(qū)系統(tǒng)模型，再次計(jì)算齒輪嚙合錯(cuò)位量，結(jié)果如圖9所示。新殼體支撐狀態(tài)下，齒輪嚙合錯(cuò)位量整體均有一定減小，最大工作扭矩工況下錯(cuò)位量降低7μm。

4 ? ?齒輪修形設(shè)計(jì)

齒輪嚙合過程中，會(huì)因受載產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而導(dǎo)致嚙合產(chǎn)生錯(cuò)位，影響齒輪的嚙合接觸，導(dǎo)致耐久性能下降和產(chǎn)生噪聲。在齒輪宏觀設(shè)計(jì)滿足一定指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，需要對(duì)齒輪齒面進(jìn)行進(jìn)一步的微觀修形調(diào)整，以改善齒面接觸狀態(tài)，降低齒面接觸應(yīng)力，減小齒輪傳遞誤差，進(jìn)而優(yōu)化齒輪NVH表現(xiàn)。

依照前述齒輻和殼體優(yōu)化的研究經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)齒輻進(jìn)行了一定的偏置和加厚，并優(yōu)化了殼體軸承位剛度，新方案齒輪嚙合錯(cuò)位量滿足設(shè)計(jì)要求，具體見表3所示。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行后續(xù)的齒輪齒廓鼓形，壓力角和齒輪齒向鼓形，螺旋角修形。新方案傳遞誤差表現(xiàn)見下表4和圖10所示，在驅(qū)動(dòng)正扭矩工況和反拖負(fù)扭矩工況下均有優(yōu)化，其中嘯叫噪聲較大的工況即正扭矩工況優(yōu)化較為明顯，在185Nm正驅(qū)工況處，傳遞誤差最大降低0.2μm。

根據(jù)新齒輪修形方案加工齒輪樣件，裝配樣機(jī)并進(jìn)行整車NVH測試，驗(yàn)證新方案優(yōu)化結(jié)果，測試結(jié)果如圖11所示。新優(yōu)化方案的齒輪階次噪聲在轉(zhuǎn)速4500r/min以下范圍內(nèi)降低5-10dB（A），改善效果較好。

5 ? ?結(jié)論

齒輪嚙合錯(cuò)位量能直觀反映齒輪嚙合的狀態(tài)，依照此指標(biāo)，可以評(píng)價(jià)齒輪宏觀設(shè)計(jì)及軸齒支撐是否合格，是齒輪NVH設(shè)計(jì)的重要參考參數(shù)。本文詳細(xì)研究了不同齒輻設(shè)計(jì)對(duì)齒輪嚙合錯(cuò)位量的影響，給齒輻設(shè)計(jì)提供了具體的優(yōu)化改善方向。并分析了殼體剛度優(yōu)化對(duì)齒輪錯(cuò)位量的影響，結(jié)果表明優(yōu)化殼體軸承座剛度，可以適當(dāng)提高齒輪嚙合穩(wěn)定性，減小錯(cuò)位量。最后以某項(xiàng)目產(chǎn)品為例，在錯(cuò)位量優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行了齒輪微觀修形設(shè)計(jì)，實(shí)車NVH測試結(jié)果表明，主要嘯叫問題27階噪聲在4500r/min以下范圍內(nèi)降低5-10dB（A），改善效果良好，驗(yàn)證了方案的有效性。

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