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細(xì)高齒設(shè)計(jì)在電驅(qū)動(dòng)橋NVH 優(yōu)化中的應(yīng)用

2020-07-01 00:05:15·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  作者：徐海軍，陳威宇 柳州五菱汽車工業(yè)有限公司  
　
摘 要：電驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能與齒輪的重合度有密切關(guān)系。文章以我司實(shí)際開發(fā)的一款電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品為例，在傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件MASTA 中進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化，比較了
摘 要：

電驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能與齒輪的重合度有密切關(guān)系。文章以我司實(shí)際開發(fā)的一款電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品為例，在傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件MASTA 中進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化，比較了大螺旋角和細(xì)高齒兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)齒輪重合度的提升和對(duì)系統(tǒng)的影響，得出細(xì)高齒設(shè)計(jì)要優(yōu)于大螺旋角設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了細(xì)高齒優(yōu)秀的NVH 性能。該設(shè)計(jì)方法推廣應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品中，同樣取得了優(yōu)秀的NVH 表現(xiàn)。
 
1 前言

NVH（noise 噪聲，vibration 振動(dòng)，harshness 聲振粗糙度）已成為汽車性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電動(dòng)汽車與燃油汽車相比，動(dòng)力源電機(jī)的噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)有所降低，驅(qū)動(dòng)橋的噪聲會(huì)更為突出，因此提高驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能對(duì)電動(dòng)汽車的品質(zhì)具有重要意義。
 
對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋和變速箱NVH 的研究表明，齒輪的傳遞誤差波動(dòng)是傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲的主要激勵(lì)，基本上可以說(shuō)齒輪是驅(qū)動(dòng)橋NVH 問(wèn)題的源頭，因此圓柱齒輪的設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的品質(zhì)至關(guān)重要。過(guò)去圓柱齒輪受限于制造因素和理論研究水平，多采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計(jì)，并使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪刀具進(jìn)行加工制造。時(shí)至今日，標(biāo)準(zhǔn)齒輪已無(wú)法滿足汽車行業(yè)越來(lái)越高的NVH 性能要求，采用具有高重合度的細(xì)高齒設(shè)計(jì)成為提升電驅(qū)動(dòng)橋NVH 性能的有效手段。
 
2 齒輪理論研究

齒輪傳動(dòng)是依靠各對(duì)齒輪的依次嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際嚙合線長(zhǎng)度與基圓齒距的比值稱為重合度（如圖1 所示）。為了使齒輪能夠連續(xù)傳動(dòng)，應(yīng)該保證前一對(duì)齒輪脫離嚙合前，后一對(duì)齒輪已經(jīng)進(jìn)入嚙合，即重合度必須大于1。作為衡量齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件，重合度越大，表明齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好。
 
圖1 齒輪重合度圖解

圖1 中，Rb1、Rb2 分別為主被齒基圓半徑，R1、R2 分別為主被齒工作節(jié)圓直徑，Ro1、Ro2分別為主被齒外徑。

齒輪重合度：

 
式中，DB 為嚙合線長(zhǎng)度；Pb為基圓齒距。

許多學(xué)者通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，表明重合度是影響圓柱齒輪NVH 的關(guān)鍵因素。某大學(xué)的研究者通過(guò)改變齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，如壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、齒寬等，改變齒輪的重合度，并通過(guò)CAE 方法研究了齒輪嚙合線長(zhǎng)度和嚙合剛度的變化。結(jié)果表明理論上齒輪設(shè)計(jì)的重合度越高，齒輪的嚙合線長(zhǎng)度和嚙合剛度的波動(dòng)越小，齒輪的動(dòng)態(tài)激勵(lì)越小，越有利于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)獲得低的振動(dòng)和噪聲，而重合度為整數(shù)時(shí)，齒輪的嚙合線長(zhǎng)度和嚙合剛度趨于恒定。國(guó)外另一組學(xué)者進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，得到了軸向重合度、端面重合度與噪聲分貝值的關(guān)系。如圖2 所示，軸向重合度（εβ）和端面重合度（εα）增大時(shí)噪聲（dB）呈下降趨勢(shì)，而軸向重合度和端面重合度分別趨近整數(shù)時(shí)，噪聲進(jìn)入低谷。
圖2 齒輪重合度與噪聲的關(guān)系

根據(jù)以上研究，在齒輪設(shè)計(jì)中合理地提升重合度有利于獲得好的NVH 性能。
 
3 齒輪設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化

齒輪作為電驅(qū)動(dòng)橋的核心部件，直接決定了驅(qū)動(dòng)橋的速比、中心距等主要參數(shù)，且決定了整個(gè)主減的受力狀態(tài)，進(jìn)而決定了軸、軸承、殼體等主要零部件的強(qiáng)度和剛度要求，間接影響了整個(gè)主減幾乎每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)。根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿足強(qiáng)度的前提下盡可能提高NVH 性能，且不增加總成的尺寸和重量?？梢?jiàn)電驅(qū)動(dòng)橋的齒輪設(shè)計(jì)并不是孤立的，不能一味地追求高重合度，必須考慮齒輪設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋總成其他零部件的影響。
以我司開發(fā)的一款電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 為例，在前期設(shè)計(jì)階段，利用專業(yè)的傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件MASTA 建立了包含齒輪、軸、軸承、殼體等主要零部件的分析模型（如圖3 所示），對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。在最初的設(shè)計(jì)方案中，兩級(jí)齒輪均采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計(jì)，齒輪設(shè)計(jì)滿足速比和中心距要求，但考慮到一級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速很高，在高速工況下可能產(chǎn)生NVH 問(wèn)題，影響整車舒適性，故優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)以提高一級(jí)齒輪重合度。
 
圖3 電驅(qū)動(dòng)橋主減速器分析模型

其中一個(gè)方案為通過(guò)加大螺旋角來(lái)提高重合度。如圖4所示，將一級(jí)齒輪螺旋角加大3°，并調(diào)整相應(yīng)齒輪參數(shù)，經(jīng)過(guò)分析，一級(jí)齒輪軸向重合度提高13.4%，最大扭矩工況下軸向力增大13.4%，一軸左軸承基本額定壽命降低21.7%。可見(jiàn)加大螺旋角雖然能提高重合度，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)更大的軸向力，導(dǎo)致軸承壽命降低。大螺旋角帶來(lái)的大軸向力對(duì)軸和殼體的強(qiáng)度剛度也會(huì)造成不良的影響。
 
圖4 加大螺旋角方案數(shù)據(jù)對(duì)比

另一個(gè)方案為細(xì)高齒設(shè)計(jì)，如圖5 所示，將一級(jí)齒輪齒頂高系數(shù)加大，并調(diào)整相應(yīng)齒輪參數(shù)，經(jīng)過(guò)分析，一級(jí)齒輪全齒高增大17.8%，端面重合度提高了17.5%，而齒輪大徑增加不到1mm，且軸向力沒(méi)有增加。

圖5 細(xì)高齒方案數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比以上兩個(gè)方案，細(xì)高齒設(shè)計(jì)可以有效增加齒輪的重合度，而不會(huì)帶來(lái)額外的軸向力對(duì)總成其他零部件造成的不良影響，且尺寸和重量的增加微乎其微，可見(jiàn)細(xì)高齒設(shè)計(jì)要優(yōu)于大螺旋角設(shè)計(jì)，本產(chǎn)品采用該設(shè)計(jì)方案并展開詳細(xì)的分析、設(shè)計(jì)與校核：

1）齒形分析

如圖6 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計(jì)改為細(xì)高齒設(shè)計(jì)，齒形變得細(xì)長(zhǎng)，齒面接觸長(zhǎng)度增加，齒頂厚度和齒根厚度變小，齒頂圓直徑略微變大。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒齒形分析

2）強(qiáng)度分析

如圖7 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計(jì)改為細(xì)高齒設(shè)計(jì)，接觸面增大，齒面接觸應(yīng)力減小，接觸強(qiáng)度提高；但齒根厚度減小，齒根彎曲應(yīng)力增大，彎曲強(qiáng)度降低。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒強(qiáng)度分析

3）重合度分析

如圖8 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計(jì)改為細(xì)高齒設(shè)計(jì)，可以獲得更高的重合度，有利于降低噪聲，獲得好的NVH 性能。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒重合度分析

4）齒面修型設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提升NVH 性能，對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行齒面微觀修型以改善接觸區(qū)和降低TE（Transmission Error - 傳遞誤差）。

根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋高速化的特點(diǎn)和以往的NVH 開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品主要針對(duì)高速工況進(jìn)行齒面微觀修型設(shè)計(jì)。從產(chǎn)品配套電機(jī)的特性曲線中讀取電機(jī)高速工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率作為電驅(qū)動(dòng)橋的輸入條件，在該工況下分析齒輪軸、軸承、殼體等系統(tǒng)剛度對(duì)齒輪嚙合的影響，計(jì)算齒輪嚙合錯(cuò)位量，以此為依據(jù)進(jìn)行螺旋角修型、壓力角修型、齒向和齒廓起鼓修型以及齒頂拋物線修型等一系列齒面微觀修型。

如圖9 所示，經(jīng)過(guò)修型，該設(shè)計(jì)方案齒輪在高速工況下獲得了良好的接觸區(qū)，有利于獲得好的NVH 性能。

圖9 齒輪接觸區(qū)分析

如圖10 所示，經(jīng)過(guò)修型，該設(shè)計(jì)方案齒輪TE 峰峰值由0.4315 下降到0.257，TE 降低有利于獲得好的NVH 性能。
圖10 齒輪TE 分析

5）強(qiáng)度校核

考慮到細(xì)高齒設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)齒輪齒根彎曲強(qiáng)度造成一定的削弱，對(duì)更改后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核，依照ISO 6336:2006 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算齒輪應(yīng)力，按疲勞條件和材料S-N 曲線計(jì)算許用應(yīng)力，如圖11 所示，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

圖11 齒輪強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)

綜上所述，通過(guò)兩個(gè)方案對(duì)比和一系列設(shè)計(jì)分析優(yōu)化工作，從理論上提高了一級(jí)齒輪的NVH 性能，且保證了齒輪本身的強(qiáng)度和避免了對(duì)總成其他零部件造成的不良影響，達(dá)到了電驅(qū)動(dòng)橋齒輪設(shè)計(jì)要求。
 
4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用以上設(shè)計(jì)方法，搭載了一級(jí)細(xì)高齒、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A，順利通過(guò)了齒輪疲勞試驗(yàn)和總成靜扭試驗(yàn)，驗(yàn)證了齒輪和電驅(qū)動(dòng)橋總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性，并安裝到整車進(jìn)行路試，測(cè)試其NVH 性能。如圖12 所示，最上方的紅線為整車噪聲，中間的綠線為二級(jí)齒輪階次噪聲，最下方的藍(lán)線為一級(jí)齒輪階次噪聲，可見(jiàn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)齒輪表現(xiàn)較差，最高階次噪聲59dB，存在突出峰值，峰值距離整車噪聲較近，約11dB，對(duì)整車噪聲具有一定的貢獻(xiàn)度；而一級(jí)細(xì)高齒表現(xiàn)優(yōu)秀，最高階次噪聲44dB，且曲線非常平穩(wěn)不存在明顯峰值，基本上全程距離整車噪聲20dB 以上，對(duì)整車噪聲貢獻(xiàn)度很低。

圖12 電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 實(shí)車噪聲測(cè)試曲線

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)細(xì)高齒的NVH 表現(xiàn)要明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，體現(xiàn)了高重合度齒輪的優(yōu)勢(shì)。
 
5 產(chǎn)品提升

理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，有效證明了電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的提升效果，此經(jīng)驗(yàn)推廣應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品B，該產(chǎn)品兩級(jí)齒輪均采用了細(xì)高齒設(shè)計(jì)，且進(jìn)一步減小了螺旋角，減少了齒輪軸向力對(duì)總成的不利影響，同時(shí)又保證了齒輪的高重合度。該產(chǎn)品搭載在兩款不同的車型上，均進(jìn)行了NVH 試驗(yàn)驗(yàn)證。

如圖13 所示，裝在車型I 上進(jìn)行測(cè)試，整車噪聲加速工況最高81dB，滑行工況最高78dB；二級(jí)齒輪階次噪聲加速工況最高51dB，滑行工況最高51dB；一級(jí)齒輪階次噪聲加速工況最高41dB，滑行工況最高32dB。

圖13 電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品B 在車型I 上噪聲測(cè)試曲線

如圖14 所示，裝在車型II 上進(jìn)行測(cè)試，整車噪聲加速工況最高75dB，滑行工況最高72dB；二級(jí)齒輪階次噪聲加速工況最高45dB，滑行工況最高42dB；一級(jí)齒輪階次噪聲加速工況最高41dB，滑行工況最高31dB。

圖14 電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品B 在車型II 上噪聲測(cè)試曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品B 在兩種不同的車型上，各種工況下，兩級(jí)齒輪的階次噪聲值都很低，且曲線平穩(wěn)無(wú)明顯峰值，基本上全程距離整車噪聲20dB 以上，對(duì)整車噪聲貢獻(xiàn)度很低，NVH 表現(xiàn)優(yōu)秀。通過(guò)顧客試駕反饋，相比其他競(jìng)品，該產(chǎn)品的噪聲表現(xiàn)很好。無(wú)論客觀數(shù)據(jù)還是主觀評(píng)價(jià)，都證明了該產(chǎn)品優(yōu)秀的NVH性能。
 
6 結(jié)論

1）電驅(qū)動(dòng)橋的NVH 性能與齒輪的重合度有密切關(guān)系，齒輪設(shè)計(jì)中合理地提升重合度有利于獲得好的NVH 性能。

2）加大螺旋角雖然能提高重合度，但會(huì)帶來(lái)額外的軸向力，對(duì)軸承、軸和殼體等其他零部件的強(qiáng)度剛度造成不良的影響；而采用細(xì)高齒設(shè)計(jì)可以避免這些不良影響同時(shí)提高齒輪的重合度。

3）對(duì)比電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 兩級(jí)齒輪和電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品B 的NVH 表現(xiàn)，可見(jiàn)細(xì)高齒設(shè)計(jì)可以有效提高電驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能。同時(shí)也證明了小螺旋角設(shè)計(jì)可以獲得好的NVH 表現(xiàn)。

4）細(xì)高齒設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)齒輪齒根彎曲強(qiáng)度造成一定的削弱，但通過(guò)設(shè)計(jì)校核和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，可以避免齒輪強(qiáng)度不足造成的失效。
 
 
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