新能源电动汽车是汽车产业转型升级发展的重要方向,据专家预测未来新能源汽车保有量还会持续快速增长。传统汽车采用多个挡位的齿轮组进行动力传递,而新能源汽车相对于传统汽车而言,电机会产生更高的转速以及更大的扭矩,所以仅需要2~3个传动比就可以实现加速,这就要求新能源电动汽车减速器具有更高的适应性。在新能源电动汽车减速器中,所有齿轮均参与全工况工作,且转速较高,这对齿轮的参数设计提出了更高的要求。
新能源电动汽车工作时,其噪声主要来自于电机和电动汽车减速器的振动噪声,而驱动电机的噪声远远小于减速器的噪声。减速器噪声产生的主要原因是齿轮的制造误差、加工误差、传动系统受载不均等,导致在任意时刻从动齿轮转角超前或滞后于理论转角,从而产生传动误差。齿轮的周期啮合形成了周期性的波动,这种波动与传动系统的某一固有频率相接近时系统就会产生共振和噪声。因此,对新能源电驱动汽车减速器高速齿轮进行合理的微观修形可以改善齿面的载荷分布,降低传动误差,提高齿轮的性能并达到降振降噪的目的。
齿轮系统传动性能的评价指标包括传动误差波动量和接触应力。齿轮在运转过程中的噪声与振动、啮合刚度有直接关系。为了减少振动噪声,在不改变齿轮基本参数的前提下,可以通过微观修形改善齿轮的传动误差和接触应力来提高其传动性能。
一、齿轮修形
电动汽车减速器传动系统受载之后,轴、轴承、箱体等零部件都会发生变形,使齿轮副产生错位,导致齿轮寿命降低。通过对齿轮微观修形,降低错位量的影响,从而使得其接触应力、弯曲应力、传动误差降低到可以接受的范围之内,最终提高齿轮性能,达到减振降噪的目的。
齿轮微观修形包括齿廓修形、齿向修形两种修形形式。齿廓修形是在齿廓方向上的线性修形,对于渐开线齿轮主要是沿着渐开线方向进行修形,又分为齿顶修缘和齿根修缘。采用齿廓修形可以减小齿轮啮入、啮出冲击,增加传动平稳性,降低振动和噪声。齿向修形是指沿着齿向方向在两端去除材料,中间保持不变,形成鼓的形状。采用齿向修形主要是避免棱边接触,减小边缘应力,改善齿面接触情况,增加传动稳平性,降低振动和噪声。齿向修形又分为齿向斜度和齿端修薄。齿向斜度是沿着齿向方向去除材料,使得实际齿面与标准齿面在齿向上形成一定的斜度,目的是改善齿轮沿齿宽方向上的偏载,使载荷分布更加均匀,增加传动平稳性,降低振动和噪声。齿端修薄是沿着齿向两端小段范围内将齿厚向齿宽方向逐渐削薄, 目的是减小齿端应力冲击,使齿轮啮入、啮出更加平顺,进而提高齿轮强度,降低振动和噪声。
二、新能源电动汽车减速器仿真模型
某电动汽车减速器额定功率为365kW,额定转速为434r/min,额定扭矩为841.5N·m。对高速运行工况下齿轮啮合错位量引起的传动误差、沿齿宽方向的单位长度载荷、齿轮啮合面接触斑点动态参数变化进行仿真分析,将结果作为电驱动汽车减速器牵引齿轮修形方案设计的理论依据。
新能源电动汽车减速器包括两级齿轮传动,通过两级减速实现增大扭矩的目的。利用 Romax软件建立的电动汽车减速器齿轮啮合三维模型如图1所示。将低级齿轮副 (一级齿轮副)作为研究主体,采用 Romax 提供的遗传算法和全因子法对低级齿轮副进行精确修形。所选齿轮材料为合金钢,表面采用渗碳淬火,齿面硬度为 HRC58~ HRC64,齿轮精度为 7 级,材料泊松比为0.3。电驱动汽车减速器齿轮基本几何参数如表1所示。
三、齿轮修形前仿真分析
对齿轮副进行仿真分析,得到的一级主动齿轮沿齿宽方向的单位长度载荷分布如图2所示,一级齿轮副传动误差如图3所示。
从图2可以清晰地看出:一级齿轮副啮合时,主动齿轮承受的最大单位长度载荷(256.438N/mm)及齿轮啮合面接触斑的分布情况,沿着齿宽方向存在较严重的偏载。
从图 3 中可以看到:齿轮啮合线的最大位移为 30.7 μm,最小位移是 28.26μm,所以传动误差是 2 .44μm。传动误差值较高,齿轮在啮合过程有冲击，此时可以认为减速器整体传动性能不佳。
为了使相互啮合的轮齿接触情况变好,载荷沿齿宽方向分布均匀,减少轮齿的偏载现象,接触点应尽可能控制在齿长中部,最大限度地降低单位齿长的载荷以及边缘应力,提高齿轮寿命和耐久性,因此需要对一级齿轮副主动齿轮进行齿廓修形和齿向修形。
四、一级齿轮副主动齿轮修形
根据 Romax第二代遗传算法,对一级齿轮副的齿廓方向和齿向方向计算修形量,优化目标设定为传动误差为0,峰值载荷最小。经过计算得到的修形量如表2所示。
五、齿轮修形后仿真分析
根据计算得到的修形量对主动齿轮进行参数设置, 经过分析得到的一级主动齿轮沿齿宽方向的单位长度载荷分布与一级齿轮副传动误差,分别如图4、图5所示。
从图4可以看到:一级主动齿轮微观修形后,沿齿宽方向的最大单位长度载荷为130.562N/mm，比修形前降低了125.876N/mm，接触斑也趋于中间，应力偏载有较大改善。从图5可以看到:齿轮的啮合线最大位移为12.21μm,最小位移为11.5μm，传动误差为0.71μm，比修形前降低了1.73μm，满足设计要求。
六、结论
某电动汽车减速器的电机向一级齿轮副主动齿轮传递动力时,电机带动输入小齿轮高速运转,一级齿轮副主动齿轮沿齿宽方向单位长度载荷较大,而且易发生偏载,传动误差较大。通过对齿轮微观几何修形,一级主动齿轮单位长度载荷分布和一级齿轮副传动误差有了明显改善,安全系数也有了较大的提高。
参考文献略.