基于MASTA軟件的輕型電驅(qū)橋減速器齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在乘用車市場(chǎng)，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(EDU)的技術(shù)已比較成熟。近年來，針對(duì)商用車市場(chǎng)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(dòng)力整車架構(gòu)為基礎(chǔ)開發(fā)的前置電機(jī)通過傳動(dòng)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(jī)和減速器，具有集成度高、傳動(dòng)效率高、總體方案質(zhì)量輕等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且為增大動(dòng)力電池的布置空間提供了條件(圖2)。

圖1 某電動(dòng)皮卡整體式電驅(qū)橋

圖2 某電動(dòng)皮卡架構(gòu)布置方案對(duì)比

齒輪是整體式輕型電驅(qū)橋減速器動(dòng)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(dòng)振動(dòng)-噪聲-平順性(NVH)改善研究已成為電驅(qū)橋傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中的關(guān)鍵工作。本文以某款電動(dòng)皮卡整體式輕型電驅(qū)橋減速器為研究對(duì)象, 利用 MASTA 軟件創(chuàng)建了1個(gè)整體式電驅(qū)橋模型, 基于QC/T568變速器臺(tái)架測(cè)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(dòng)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(jí)齒輪優(yōu)化后的最佳修形參數(shù)，仿真分析的齒輪錯(cuò)位量和峰-峰TE值在工程經(jīng)驗(yàn)推薦值范圍內(nèi)，實(shí)車驗(yàn)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(jī)理 ?

齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的激勵(lì)源是齒輪嚙合時(shí)存在的傳動(dòng)誤差,形成激振力,引起傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),振動(dòng)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(dòng)誤差的峰值決定。傳動(dòng)誤差是指驅(qū)動(dòng)輪以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),被動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速發(fā)生滯后于驅(qū)動(dòng)輪的現(xiàn)象。理論上齒輪是漸開線形狀,在系統(tǒng)絕對(duì)剛性且沒有安裝誤差的情況下,齒輪嚙合無傳動(dòng)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(dòng)誤差會(huì)客觀存在。

圖3 整體式輕型電驅(qū)橋減速器噪聲傳遞路徑

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(shí),主、被動(dòng)齒輪可簡(jiǎn)化為圍繞軸心線旋轉(zhuǎn)的懸臂梁模型[1]，在承受負(fù)荷時(shí)會(huì)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(shí)際嚙合點(diǎn)與理論嚙合區(qū)域存在偏移, 產(chǎn)生了嚙合沖擊激勵(lì)。為了減少齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的誤差,在設(shè)計(jì)早期應(yīng)該對(duì)齒輪的NVH做仿真預(yù)測(cè)。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(duì)嚙合的一對(duì)齒輪，也可只做單齒輪修形優(yōu)化，在工程實(shí)踐中通常更多采取對(duì)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(shí)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(qiáng)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(lì)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。

圖4 齒廓修形的3種形式

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(duì)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)。

圖5 齒向修形的2種形式

綜合工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，齒輪設(shè)計(jì)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(dòng)車(EV)減速器輸入級(jí)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(dòng)誤差和齒面接觸應(yīng)力作為修形設(shè)計(jì)、調(diào)整的依據(jù)[2]。

2.3 MASTA軟件仿真

MASTA軟件可以對(duì)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(dòng)態(tài)分析。通常需要基于實(shí)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(shí)際運(yùn)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(lì)大小。該電驅(qū)橋減速器結(jié)構(gòu)為典型的兩級(jí)減速平行軸式布置，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過對(duì)不同齒面參數(shù)的迭代分析和計(jì)算，優(yōu)選的兩級(jí)主從動(dòng)齒輪副修形關(guān)鍵參數(shù)如表1，基于QC/T568變速器臺(tái)架測(cè)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(duì)電驅(qū)橋減速器的傳動(dòng)特性進(jìn)行分析研究。

圖6 某電驅(qū)橋減速器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 齒面修形關(guān)鍵參數(shù)

表2 某電驅(qū)橋減速器NVH負(fù)荷譜

3 齒輪錯(cuò)位量分析 ?

評(píng)價(jià)齒輪實(shí)際嚙合與理想嚙合位置的偏差，定義為齒輪錯(cuò)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(huì)引起齒輪錯(cuò)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(cuò)位量，保證嚙合平順。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于電驅(qū)橋減速器齒輪正驅(qū)、滑行工況的錯(cuò)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(duì)該電驅(qū)橋減速器的齒輪錯(cuò)位量分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 某電驅(qū)橋減速器齒輪錯(cuò)位量分析結(jié)果

分析結(jié)果表明輸入級(jí)齒輪在75%驅(qū)動(dòng)模式、100%驅(qū)動(dòng)模式和100%滑行模式下齒輪錯(cuò)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(jí)齒輪錯(cuò)位量都很小，滑行模式下錯(cuò)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(cuò)位量分析結(jié)果可知，輸入和輸出級(jí)齒輪錯(cuò)位量在常用的低扭矩驅(qū)動(dòng)模式和滑行模式下表現(xiàn)良好。

4 齒輪嚙合斑點(diǎn)分析 ?

綜合修形后各工況負(fù)荷下都較好地實(shí)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(diǎn)位置及大小是可以接受的。

5 齒輪傳動(dòng)誤差仿真分析 ?

輸入級(jí)、輸出級(jí)齒輪修形后的傳動(dòng)誤差仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

通過對(duì)輸入級(jí)齒輪修形的傳動(dòng)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(dòng)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。

圖8 某電驅(qū)橋減速器輸入級(jí)TE分析結(jié)果

(3) 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動(dòng)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(duì)輸出級(jí)齒輪修形的傳動(dòng)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(dòng)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。

圖9 某電驅(qū)橋減速器輸出級(jí)TE分析結(jié)果

(3) 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證 ?

針對(duì)電驅(qū)橋NVH性能評(píng)價(jià)的方法通常是對(duì)齒輪的階次噪聲基于整車測(cè)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(yàn)過程中振動(dòng)傳感器及傳聲器布置位置如圖10所示。

圖10 整車NVH測(cè)試傳感器及傳聲器布置位置

綜合分析該電驅(qū)橋在整車上的NVH客觀測(cè)試數(shù)據(jù)(見圖11)，在整個(gè)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(píng)價(jià)NVH性能較好，可以滿足整車標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 某電驅(qū)橋整車NVH客觀測(cè)試結(jié)果

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(jì)和NVH性能相關(guān)參數(shù)的分析，通過實(shí)車驗(yàn)證表明仿真結(jié)果與實(shí)際的整車主、客觀測(cè)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(jì)。

編輯：黃飛

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