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

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

圖1 某電動皮卡整體式電驅(qū)橋

圖2 某電動皮卡架構(gòu)布置方案對比

齒輪是整體式輕型電驅(qū)橋減速器動力傳遞的關(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, 齒輪傳動振動-噪聲-平順性(NVH)改善研究已成為電驅(qū)橋傳動系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程中的關(guān)鍵工作。本文以某款電動皮卡整體式輕型電驅(qū)橋減速器為研究對象, 利用 MASTA 軟件創(chuàng)建了1個整體式電驅(qū)橋模型, 基于QC/T568變速器臺架測試方法推導(dǎo)出了負荷譜，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)選該減速器兩級齒輪優(yōu)化后的最佳修形參數(shù)，仿真分析的齒輪錯位量和峰-峰TE值在工程經(jīng)驗推薦值范圍內(nèi)，實車驗證該優(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)生機理 ?

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

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,主、被動齒輪可簡化為圍繞軸心線旋轉(zhuǎn)的懸臂梁模型[1]，在承受負荷時會產(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, 造成齒輪實際嚙合點與理論嚙合區(qū)域存在偏移, 產(chǎn)生了嚙合沖擊激勵。為了減少齒輪嚙合時產(chǎn)生的誤差,在設(shè)計早期應(yīng)該對齒輪的NVH做仿真預(yù)測。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，微觀修形可以針對嚙合的一對齒輪，也可只做單齒輪修形優(yōu)化，在工程實踐中通常更多采取對單一齒輪修形，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，需綜合考慮輸入負荷激勵的大小、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，齒輪設(shè)計優(yōu)化微觀修形應(yīng)達到下列目標：(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) 電動車(EV)減速器輸入級齒輪轉(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)力和齒面負荷分布系數(shù)；(4) 傳動誤差和齒面接觸應(yīng)力作為修形設(shè)計、調(diào)整的依據(jù)[2]。

2.3 MASTA軟件仿真

MASTA軟件可以對齒輪尺寸、剛度調(diào)制以及基于具體齒輪材料進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，可以更加準確地完成齒輪嚙合動態(tài)分析。通常需要基于實際的產(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際運行負荷譜，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大小。該電驅(qū)橋減速器結(jié)構(gòu)為典型的兩級減速平行軸式布置，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過對不同齒面參數(shù)的迭代分析和計算，優(yōu)選的兩級主從動齒輪副修形關(guān)鍵參數(shù)如表1，基于QC/T568變速器臺架測試方法，轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的NVH負荷譜(見表2)，基于上述參數(shù)和負荷譜應(yīng)用MASTA軟件對電驅(qū)橋減速器的傳動特性進行分析研究。

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負荷譜

3 齒輪錯位量分析 ?

評價齒輪實際嚙合與理想嚙合位置的偏差，定義為齒輪錯位量。通常在工程應(yīng)用中，重合度、系統(tǒng)剛度、殼體架構(gòu)均會引起齒輪錯位的變化，常規(guī)的解決方式是增加齒輪的嚙合剛度，提高支撐剛性，從而減少錯位量，保證嚙合平順。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于電驅(qū)橋減速器齒輪正驅(qū)、滑行工況的錯位量目標設(shè)定為±50 μm。

基于表1的齒面修形參數(shù)和表2的NVH負荷譜，應(yīng)用MASTA軟件對該電驅(qū)橋減速器的齒輪錯位量分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 某電驅(qū)橋減速器齒輪錯位量分析結(jié)果

分析結(jié)果表明輸入級齒輪在75%驅(qū)動模式、100%驅(qū)動模式和100%滑行模式下齒輪錯位量分別優(yōu)于目標值12 μm、2 μm和10 μm。在所有正驅(qū)工況下輸出級齒輪錯位量都很小，滑行模式下錯位量略大，但在100%滑行模式下依然優(yōu)于目標值7 μm。基于MASTA軟件的錯位量分析結(jié)果可知，輸入和輸出級齒輪錯位量在常用的低扭矩驅(qū)動模式和滑行模式下表現(xiàn)良好。

4 齒輪嚙合斑點分析 ?

綜合修形后各工況負荷下都較好地實現(xiàn)了全齒面接觸，有效避免了邊緣和齒頂受到負荷造成的應(yīng)力集中，齒面負荷的分布較合理，表明該修形參數(shù)下的齒輪接觸斑點位置及大小是可以接受的。

5 齒輪傳動誤差仿真分析 ?

輸入級、輸出級齒輪修形后的傳動誤差仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

通過對輸入級齒輪修形的傳動誤差分析可以看到：

(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TE分析結(jié)果

(3) 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動模式和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減速器要求的目標值，所有其他工況也滿足單諧波振幅的目標值。

通過對輸出級齒輪修形的傳動誤差分析可以看到：

(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減速器要求的目標值。所有其他工況的峰-峰TE值也都優(yōu)于目標值。

(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TE分析結(jié)果

(3) 最大的一階諧波發(fā)生在50%驅(qū)動模式和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減速器要求的目標值，所有其他工況也滿足單諧波振幅的目標值。

6 試驗驗證 ?

針對電驅(qū)橋NVH性能評價的方法通常是對齒輪的階次噪聲基于整車測試的數(shù)據(jù)進行分解，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，在試驗過程中振動傳感器及傳聲器布置位置如圖10所示。

圖10 整車NVH測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客觀測試數(shù)據(jù)(見圖11)，在整個車輛速度區(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，主觀評價NVH性能較好，可以滿足整車標準要求。

圖11 某電驅(qū)橋整車NVH客觀測試結(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)計和NVH性能相關(guān)參數(shù)的分析，通過實車驗證表明仿真結(jié)果與實際的整車主、客觀測試結(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。

編輯：黃飛

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