新能源電動(dòng)汽車是汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的重要方向,據(jù)專家預(yù)測(cè)未來新能源汽車保有量還會(huì)持續(xù)快速增長。傳統(tǒng)汽車采用多個(gè)擋位的齒輪組進(jìn)行動(dòng)力傳遞,而新能源汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言,電機(jī)會(huì)產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)速以及更大的扭矩,所以僅需要2~3個(gè)傳動(dòng)比就可以實(shí)現(xiàn)加速,這就要求新能源電動(dòng)汽車減速器具有更高的適應(yīng)性。在新能源電動(dòng)汽車減速器中,所有齒輪均參與全工況工作,且轉(zhuǎn)速較高,這對(duì)齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
新能源電動(dòng)汽車工作時(shí),其噪聲主要來自于電機(jī)和電動(dòng)汽車減速器的振動(dòng)噪聲,而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于減速器的噪聲。減速器噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒輪的制造誤差、加工誤差、傳動(dòng)系統(tǒng)受載不均等,導(dǎo)致在任意時(shí)刻從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)角超前或滯后于理論轉(zhuǎn)角,從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。齒輪的周期嚙合形成了周期性的波動(dòng),這種波動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的某一固有頻率相接近時(shí)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲。因此,對(duì)新能源電驅(qū)動(dòng)汽車減速器高速齒輪進(jìn)行合理的微觀修形可以改善齒面的載荷分布,降低傳動(dòng)誤差,提高齒輪的性能并達(dá)到降振降噪的目的。
齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括傳動(dòng)誤差波動(dòng)量和接觸應(yīng)力。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的噪聲與振動(dòng)、嚙合剛度有直接關(guān)系。為了減少振動(dòng)噪聲,在不改變齒輪基本參數(shù)的前提下,可以通過微觀修形改善齒輪的傳動(dòng)誤差和接觸應(yīng)力來提高其傳動(dòng)性能。
一、齒輪修形
電動(dòng)汽車減速器傳動(dòng)系統(tǒng)受載之后,軸、軸承、箱體等零部件都會(huì)發(fā)生變形,使齒輪副產(chǎn)生錯(cuò)位,導(dǎo)致齒輪壽命降低。通過對(duì)齒輪微觀修形,降低錯(cuò)位量的影響,從而使得其接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、傳動(dòng)誤差降低到可以接受的范圍之內(nèi),最終提高齒輪性能,達(dá)到減振降噪的目的。
齒輪微觀修形包括齒廓修形、齒向修形兩種修形形式。齒廓修形是在齒廓方向上的線性修形,對(duì)于漸開線齒輪主要是沿著漸開線方向進(jìn)行修形,又分為齒頂修緣和齒根修緣。采用齒廓修形可以減小齒輪嚙入、嚙出沖擊,增加傳動(dòng)平穩(wěn)性,降低振動(dòng)和噪聲。齒向修形是指沿著齒向方向在兩端去除材料,中間保持不變,形成鼓的形狀。采用齒向修形主要是避免棱邊接觸,減小邊緣應(yīng)力,改善齒面接觸情況,增加傳動(dòng)穩(wěn)平性,降低振動(dòng)和噪聲。齒向修形又分為齒向斜度和齒端修薄。齒向斜度是沿著齒向方向去除材料,使得實(shí)際齒面與標(biāo)準(zhǔn)齒面在齒向上形成一定的斜度,目的是改善齒輪沿齒寬方向上的偏載,使載荷分布更加均勻,增加傳動(dòng)平穩(wěn)性,降低振動(dòng)和噪聲。齒端修薄是沿著齒向兩端小段范圍內(nèi)將齒厚向齒寬方向逐漸削薄, 目的是減小齒端應(yīng)力沖擊,使齒輪嚙入、嚙出更加平順,進(jìn)而提高齒輪強(qiáng)度,降低振動(dòng)和噪聲。
二、新能源電動(dòng)汽車減速器仿真模型
某電動(dòng)汽車減速器額定功率為365kW,額定轉(zhuǎn)速為434r/min,額定扭矩為841.5N·m。對(duì)高速運(yùn)行工況下齒輪嚙合錯(cuò)位量引起的傳動(dòng)誤差、沿齒寬方向的單位長度載荷、齒輪嚙合面接觸斑點(diǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化進(jìn)行仿真分析,將結(jié)果作為電驅(qū)動(dòng)汽車減速器牽引齒輪修形方案設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。
新能源電動(dòng)汽車減速器包括兩級(jí)齒輪傳動(dòng),通過兩級(jí)減速實(shí)現(xiàn)增大扭矩的目的。利用 Romax軟件建立的電動(dòng)汽車減速器齒輪嚙合三維模型如圖1所示。將低級(jí)齒輪副 (一級(jí)齒輪副)作為研究主體,采用 Romax 提供的遺傳算法和全因子法對(duì)低級(jí)齒輪副進(jìn)行精確修形。所選齒輪材料為合金鋼,表面采用滲碳淬火,齒面硬度為 HRC58~ HRC64,齒輪精度為 7 級(jí),材料泊松比為0.3。電驅(qū)動(dòng)汽車減速器齒輪基本幾何參數(shù)如表1所示。
三、齒輪修形前仿真分析
對(duì)齒輪副進(jìn)行仿真分析,得到的一級(jí)主動(dòng)齒輪沿齒寬方向的單位長度載荷分布如圖2所示,一級(jí)齒輪副傳動(dòng)誤差如圖3所示。
從圖2可以清晰地看出:一級(jí)齒輪副嚙合時(shí),主動(dòng)齒輪承受的最大單位長度載荷(256.438N/mm)及齒輪嚙合面接觸斑的分布情況,沿著齒寬方向存在較嚴(yán)重的偏載。
從圖 3 中可以看到:齒輪嚙合線的最大位移為 30.7 μm,最小位移是 28.26μm,所以傳動(dòng)誤差是 2 .44μm。傳動(dòng)誤差值較高,齒輪在嚙合過程有沖擊，此時(shí)可以認(rèn)為減速器整體傳動(dòng)性能不佳。
為了使相互嚙合的輪齒接觸情況變好,載荷沿齒寬方向分布均勻,減少輪齒的偏載現(xiàn)象,接觸點(diǎn)應(yīng)盡可能控制在齒長中部,最大限度地降低單位齒長的載荷以及邊緣應(yīng)力,提高齒輪壽命和耐久性,因此需要對(duì)一級(jí)齒輪副主動(dòng)齒輪進(jìn)行齒廓修形和齒向修形。
四、一級(jí)齒輪副主動(dòng)齒輪修形
根據(jù) Romax第二代遺傳算法,對(duì)一級(jí)齒輪副的齒廓方向和齒向方向計(jì)算修形量,優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為傳動(dòng)誤差為0,峰值載荷最小。經(jīng)過計(jì)算得到的修形量如表2所示。
五、齒輪修形后仿真分析
根據(jù)計(jì)算得到的修形量對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行參數(shù)設(shè)置, 經(jīng)過分析得到的一級(jí)主動(dòng)齒輪沿齒寬方向的單位長度載荷分布與一級(jí)齒輪副傳動(dòng)誤差,分別如圖4、圖5所示。
從圖4可以看到:一級(jí)主動(dòng)齒輪微觀修形后,沿齒寬方向的最大單位長度載荷為130.562N/mm，比修形前降低了125.876N/mm，接觸斑也趨于中間，應(yīng)力偏載有較大改善。從圖5可以看到:齒輪的嚙合線最大位移為12.21μm,最小位移為11.5μm，傳動(dòng)誤差為0.71μm，比修形前降低了1.73μm，滿足設(shè)計(jì)要求。
六、結(jié)論
某電動(dòng)汽車減速器的電機(jī)向一級(jí)齒輪副主動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力時(shí),電機(jī)帶動(dòng)輸入小齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn),一級(jí)齒輪副主動(dòng)齒輪沿齒寬方向單位長度載荷較大,而且易發(fā)生偏載,傳動(dòng)誤差較大。通過對(duì)齒輪微觀幾何修形,一級(jí)主動(dòng)齒輪單位長度載荷分布和一級(jí)齒輪副傳動(dòng)誤差有了明顯改善,安全系數(shù)也有了較大的提高。
參考文獻(xiàn)略.