作者：汽車NVH云課堂

1. 前言 

環(huán)境是人類生存的保障，能源是人類發(fā)展的動(dòng)力，能源與環(huán)境問題與人類生存發(fā)展息息相關(guān)。汽車作為現(xiàn)代人們?nèi)找嬉蕾嚨慕煌üぞ撸粌H消耗了大量的傳統(tǒng)能源，而且對(duì)環(huán)境造成很大污染。隨著電池技術(shù)、控制技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車的性能越來越好，成本逐漸降低，電動(dòng)車將具備與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭的能力。變速器作為電動(dòng)汽車動(dòng)力總成至關(guān)重要的一部分，它的NVH (Noise, Vibration, Harshness)[1]性能是影響汽車整體NVH性能的重要因素之一。電動(dòng)汽車由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)等噪聲的掩蓋，變速器噪聲顯得尤為突出。所以在開發(fā)設(shè)計(jì)變速器階段，設(shè)計(jì)者需要多加考慮。傳遞誤差的大小直接關(guān)系到變速器NVH性能的好壞，通過對(duì)齒輪想修形可以降低傳遞誤差從而達(dá)到降低變速器嘯叫，這種方法簡單實(shí)用，并且成本。

2. 傳遞誤差的定義

如果一對(duì)完美的齒輪在零載荷下嚙合，漸開線幾何數(shù)學(xué)規(guī)定了從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪接觸點(diǎn)長度相等，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與齒數(shù)成比例。但是，實(shí)際上由于加工誤差和裝配誤差等的存在，導(dǎo)致從動(dòng)齒輪在理論位置的前方或后方。從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)角度來看，齒輪傳遞誤差]可以表示

式中，TE為傳遞誤差；θ2、θ1分別為從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)角；rb2、rb1分別為從動(dòng)輪和主動(dòng)輪半徑。

本文在傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件中建立變速器模型，具體步驟如下所示：

（1）通過建立軸、齒輪對(duì)、同步器、軸承等部件，建立完成后在仿真軟件中按照?qǐng)D紙要就進(jìn)行裝配，并且添加功率流運(yùn)轉(zhuǎn)模型，步驗(yàn)證模型的可行性。

（2）初步模型建立完成后需要對(duì)軸齒材料，在此過程中需要考慮齒輪精度及熱處理方式。

（3）通過將變速器殼體及差速器殼體有限元化后導(dǎo)入仿真軟件中，建立變速器整體的剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型。齒輪具體參數(shù)如表1所示，差速器導(dǎo)入后見圖1，總體動(dòng)力學(xué)模型見圖2，變速器平面布局圖見圖3 。

圖 1 差速器導(dǎo)入后模型示意圖

圖 2 外殼體導(dǎo)入后模型示意圖

  圖 3 變速器平面布局圖

3. 模態(tài)分析

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性與合理性，本文將不同仿真分析軟件求解得到的模態(tài)階次及振型進(jìn)行對(duì)比。求解結(jié)果見表2。

通過固有頻率我們可以看出，兩者基本吻合。下面將前六階振振型對(duì)比：

4 有限元仿真軟件一階振型                  圖 5 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件一階振型

圖 6 有限元仿真軟件二階振型                    圖 7 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件二階振型

8 有限元仿真軟件三階振型                 圖 9 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件三階振型

圖10 有限元仿真軟件四階振型

圖 11 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件四階振型

圖12 有限元仿真軟件五階振型                  圖13 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件五階振型

圖 14 有限元仿真軟件六階振型 

圖 15 傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件六階振型

結(jié)果顯示良好的一致性，充分說明傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件建立變速器模型的可靠性，為接下來做仿真分析的準(zhǔn)確度提供依據(jù)。

4. 齒輪修形

利用傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件對(duì)齒輪進(jìn)行修形[4,5]，經(jīng)過多次分析，1擋齒輪修行量為齒向鼓形量2μm、齒向斜度6μm、漸開線鼓形量3μm、漸開線斜度0μm；2擋齒輪修行量為齒向鼓形量1.5μm、齒向斜度2μm、漸開線鼓形量4μm、漸開線斜度0μm；主減齒輪修形量為齒向鼓形量2μm、齒向斜度12μm、漸開線鼓形量4μm、漸開線斜度‐2μm。此時(shí)齒輪傳遞誤差和接觸斑點(diǎn)有很大改善。傳遞誤差變化曲線如下所示，其中橫坐標(biāo)為滾動(dòng)角，縱坐標(biāo)為沿嚙合線位移。

從上圖可以看出，齒輪修形后沿嚙合線的位移都變大了，但是考慮到齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，1 擋齒輪傳遞誤差峰峰值由 0.6816 減小為 0.28417；2 擋齒輪傳遞誤差峰峰值由 0.52352 減小為 0.19297；主減齒輪傳遞誤差峰峰值由 0.564 降為 0.21608。修形前傳遞誤差峰峰值較大，這代表著在傳動(dòng)過程中齒輪會(huì)受到較大的嚙合沖擊，從而產(chǎn)生較大的嚙合噪聲。齒面接觸斑點(diǎn)應(yīng)力云圖如下所示。

圖 19 1 擋主動(dòng)齒輪修形前接觸斑點(diǎn)

圖 20 1 擋主動(dòng)齒輪修形后接觸斑點(diǎn)

圖 21 2 擋主動(dòng)齒輪修形前接觸斑點(diǎn)

圖 22 2 擋主動(dòng)齒輪修形后接觸斑點(diǎn)

圖 23 主減主動(dòng)齒輪修形前接觸斑點(diǎn) 

圖 24 主減主動(dòng)齒輪修形后接觸斑點(diǎn)

由圖可以看出，修形前齒面接觸應(yīng)力出現(xiàn)嚴(yán)重偏載，這會(huì)大大降低齒輪使用的壽命。振動(dòng)響應(yīng)布點(diǎn)，其中39140節(jié)點(diǎn)代表輸入軸振動(dòng)加速度；43563代表中間軸振動(dòng)加速度；49186代表差速軸振動(dòng)加速度。

圖 25 振動(dòng)加速度仿真點(diǎn)示意圖

由圖可以看出，修形后殼體表面振動(dòng)加速度顯著降低，從而說明修形優(yōu)化了變速器振動(dòng)噪聲，從而改善了變速器的NVH性能。

5. 結(jié)束語

由以上分析可以得出，修形后齒輪傳遞誤差明顯降低，使得齒輪傳動(dòng)更加平穩(wěn)；齒輪接觸斑點(diǎn)趨于中心，改善了齒輪受力情況；變速器的振動(dòng)加速度明顯降低，改善了變速器NVH性能。后期將對(duì)變速器進(jìn)行聲學(xué)仿真，繼續(xù)改善變速器NVH性能。并且會(huì)對(duì)變速器動(dòng)力總成進(jìn)行樣件生產(chǎn)，對(duì)其做模態(tài)、傳遞誤差、接觸斑點(diǎn)、振動(dòng)響應(yīng)、噪聲等試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

作者：曹展，吳忠云，陳達(dá)亮，顧燦松，李洪亮

作者單位：中國汽車技術(shù)研究中心