電動車的單級減速器嘯叫問題及優(yōu)化方案

隨著國家對新能源汽車越來越重視，國內(nèi)各大廠商以及造車新勢力都在新能源汽車方向投入了大量的精力，尤其對純電動汽車。純電動汽車相比傳統(tǒng)汽油車有很多的優(yōu)點(diǎn)，低碳環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性，但也存在一些噪聲問題。由于失去了發(fā)動機(jī)的屏蔽效應(yīng)，電動車的風(fēng)噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級數(shù)值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會讓人感到煩躁而難以接受，人耳對其非常敏感，嚴(yán)重的影響車內(nèi)成員的舒適性和形勢品質(zhì)，所以必須對其進(jìn)行優(yōu)化，提高車內(nèi)NVH水平。

2 嘯叫問題與優(yōu)化方法

2.1 嘯叫問題

本文此次優(yōu)化的是電動車的單級減速器，車內(nèi)成員在加速過程中，能聽到明顯的嘯叫聲（俗稱“口哨聲”）。經(jīng)過主觀判斷初步確定此噪聲是由減速器產(chǎn)生。隨后在整車半消聲室四驅(qū)靜音轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行測試，經(jīng)過客觀數(shù)據(jù)測試，采用階次分析方法并采用濾波回放等技術(shù)手段，判定此問題是由減速器第二級齒輪嚙合產(chǎn)生的10.38階次噪聲引起，由圖1所示。減速器嘯叫問題，主要是由于齒輪嚙合過程中傳遞誤差過大引起，通過齒輪軸，傳遞到軸承座最后通過殼體向外傳遞振動噪聲[1]。

圖1 駕駛員右耳噪聲colormap圖

2.2 優(yōu)化方法

減速器嘯叫噪聲是齒輪箱彈性系統(tǒng)在動態(tài)激勵載荷作用下產(chǎn)生的剛?cè)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合響應(yīng)。齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵分內(nèi)部激勵和外部激勵。內(nèi)部激勵是齒輪副在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，這是齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因。內(nèi)部激勵主要由時變嚙合剛度、傳遞誤差等因素引起；外部激勵是由電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動、連接花鍵間隙等產(chǎn)生的動態(tài)沖擊。

優(yōu)化減速器嘯叫問題有多種途徑，首先可以降低減速器本體的內(nèi)部激勵，如剛度激勵，增加齒輪的重合度；誤差激勵，優(yōu)化齒輪齒形，提高加工、安裝精度等[3]；也可以通過合理布置軸系、優(yōu)化減速殼體避開共振區(qū)域等方式；同時也可以從傳遞路徑上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)外部傳遞路徑的不同，分為結(jié)構(gòu)傳遞路徑（懸置和車身）和空氣傳遞路徑（聲學(xué)包），如降低懸置橡膠剛度增大階次隔振率、包裹動力總成、加強(qiáng)車內(nèi)聲學(xué)包裝增強(qiáng)對嘯叫聲的吸收等措施[5]。綜合考慮到成本以及方案實(shí)施難度，本文最終決定對齒輪進(jìn)行微觀修形，降低齒輪的傳遞誤差，從而優(yōu)化減速器嘯叫問題。

通過對齒輪齒形進(jìn)行微觀的修形，可以顯著的的改善輪齒的載荷分布，減小齒輪內(nèi)部激勵如剛度激勵、誤差激勵、嚙合激勵等，從而優(yōu)化齒輪嘯叫噪聲。

2.3 傳遞誤差（TE）

齒輪嘯叫噪聲是由齒輪嚙合動態(tài)激勵引起的穩(wěn)態(tài)噪聲，是由受載齒輪嚙合過程中的傳遞誤差TE（Transmission Error）引起并通過頻率的調(diào)諧產(chǎn)生的一種噪聲。傳遞誤差是引起齒輪嘯叫噪聲的根本原因。齒輪在嚙合傳動過程中，由于齒輪加工誤差、裝配誤差、箱體及支撐件（軸、軸承）彈性變形等原因，使得實(shí)際嚙合與理論嚙合產(chǎn)生偏差，從而產(chǎn)生激勵力引起振動，振動通過支撐件以及箱體傳遞，從而輻射出噪聲。

傳遞誤差是用來描述齒輪傳動不平穩(wěn)的參數(shù)。理想中漸開線齒輪相互嚙合是沒有傳遞誤差的，從動輪會按照固定的傳遞率沿著主動輪的運(yùn)動軌跡運(yùn)動，但是現(xiàn)實(shí)中，由于傳遞誤差，導(dǎo)致從動輪會隨機(jī)的超前或落后其理論運(yùn)動位置[2]。

理想狀態(tài)：ω1x R1=ω2x R2

實(shí)際狀態(tài)：TE=∫（ω1x R1-ω2x R2）d

圖2 傳遞誤差示意圖

3 模型建立與模型校驗(yàn)

3.1 三維模型建立

根據(jù)廠商提高的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型建立，包括齒輪軸、齒輪、軸承、殼體等相關(guān)數(shù)據(jù)，由圖3所示：

圖3 變速箱三維模型

首先根據(jù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)建立齒輪傳動系統(tǒng)，第二級齒輪對的相關(guān)參數(shù)，由表1所示：

表1 齒輪基礎(chǔ)參數(shù)

3.2 三維模型校驗(yàn)

將齒輪參數(shù)輸入到三維模型中，并對模型進(jìn)行靜態(tài)分析，分析輪齒接觸情況。對比仿真與試驗(yàn)所得的齒面接觸斑點(diǎn)結(jié)果（如圖4所示）可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，仿真模型較為準(zhǔn)確，仿真模型可以用于后續(xù)優(yōu)化分析。同時，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均表明，齒面接觸處存在偏載問題，齒輪嚙合效果較差，需要對其進(jìn)行優(yōu)化[4]。

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)嚙合斑點(diǎn)對比圖

4 方案驗(yàn)證

4.1 修形方案

基于遺傳算法，在現(xiàn)有加工技術(shù)條件下，對齒輪副的修形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，參數(shù)變量主要包括齒頂修緣量（Tr）、齒向鼓形量（Cβ）、齒向傾斜量（fHβ）、漸開線鼓形量（Ca）和漸開線傾斜量（fHa）。根據(jù)日常使用頻率，參數(shù)優(yōu)化工況主要參考50%最大扭矩。轉(zhuǎn)速為4000rpm，扭矩為67.5N。

圖5 修形示意圖

考慮各工況仿真結(jié)果，針對第二級齒輪主被動齒進(jìn)行了如表2所示的微觀參數(shù)修形。

表2 檔位齒輪基礎(chǔ)參數(shù)

圖6 修形前后傳遞誤差（TE）對比

圖7 修形前后齒輪主動面嚙合對比

修形前傳遞誤差峰峰值為0.97um，誤差曲線存在突變，證明高頻諧波過大；齒面應(yīng)力偏載，偏向一側(cè)，修形后傳遞誤差峰峰值減小到0.21um，誤差曲線光滑無突變，如圖6所示；齒面應(yīng)力集中，不存在偏載現(xiàn)在。通過以上修形方案降低齒輪傳遞誤差以及優(yōu)化齒面接觸應(yīng)力，如圖7所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的減速器裝載到整車上，在相同測試環(huán)境下進(jìn)行測試，通過測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)減速器第二級齒輪嚙合頻率聲壓級降低，如圖8、圖9所示。

圖8 修形前后駕駛員內(nèi)耳噪聲對比

圖9 修形前后駕駛員內(nèi)耳噪聲減速器階次曲線對比

5 結(jié)論

1）通過主觀及客觀測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題車內(nèi)嘯叫產(chǎn)生的部件以及原因；

2）通過實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合進(jìn)行齒輪微觀修形方案的驗(yàn)證及優(yōu)化；

3）齒輪齒面接觸以及傳遞誤差的分析，可以作為齒輪嘯叫評估的依據(jù)，能更好的指導(dǎo)修形的方向；

4）通過降低傳遞誤差，可以有效的降低激勵源激勵，從而對減速器進(jìn)行優(yōu)化。

文章比較正確地分析了電動車減速器產(chǎn)生嘯叫的原因，運(yùn)用仿真模擬手段分析了減速器齒輪傳遞誤差及齒面嚙合偏載等問題。根據(jù)分析的結(jié)果，進(jìn)行了齒輪微觀修形，從而優(yōu)化減速器嘯叫問題。

審核編輯：郭婷