电动汽车齿轮变速箱振动原因分析及齿轮传动系统优化设计

电动汽车齿轮变速箱振动原因分析及齿轮传动系统优化设计

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摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电动汽车行业也越来越先进。变速箱是汽车传动系统的重要组成部分，齿轮作为汽车变速箱核心零件，其运转平稳性对变速箱整体的可靠性、NVH性能和传动效率等方面都会产生很大的影响。故在满足齿轮强度要求的同时，设计低振动和低噪声的齿轮传动已成为齿轮动力学研究的目的。本文首先分析齿轮选型，其次探讨电动汽车齿轮变速箱振动原因，然后研究变速箱传动系统优化设计，最后就测功机疲劳寿命测试进行研究，以供参考。

关键词：齿轮变速箱;齿轮传动系统;齿轮传递误差

引言

当前，纯电动汽车没有配备多挡变速器，都仅仅使用单挡变速器，即：电机传送到车轮上的动力都由单挡减速器来传递。根据电机的外部特性曲线可以知道电机拥有两个特性，分别是高速恒定功率和低速恒定力矩。因此，在纯电动车上安装一个单挡的减速装置，其缺点是显而易见的。为达到这一目标,研究人员尝试建立三挡变速箱模型,基于该模型对齿轮变速箱传动系统进行静态分析与模态分析,为优化变速箱传动系统提供数据资料。

1齿轮选型

在实际开发设计过程中，因为动力源的设计变更或者为了适配车辆的主要使用环境，往往需要改变变速箱的传动比，变更传动系统参数，用以释放发动机的性能。在变速箱传动系统的设计过程中，因为计算参数过程非常繁琐、复杂，按传统的基于设计手册的设计方法设计很难达到各种传动性能指标最优化的目标，并且非常依赖设计人员自身经验。本文采用KISSsoft软件，它可对不同种类的传动系统及齿轮箱进行强度及寿命分析，可以在非常短的时间内对完整的传动系统进行迅速而详细的参数研究，以及在不同载荷条件下对已有设计进行对比分析。

2电动汽车齿轮变速箱振动原因

2.1采用阶比分析检测齿轮齿形误差

变速箱的典型故障情况，就是齿轮齿形的误差。齿轮合阶比与谐波是载波阶比，而齿轮所在的轴阶比和谐波是调制阶比，这是比较典型的阶比调制现象。通常情况下齿形的误差阶比带较窄，而且幅值较小。所以振动信号和能量及有效值等相关指标会在一定程度上增大。阶比分析可以使用转轴和旋转频率进行调整，也可以使用分数倍频进行采样，当完成上述操作以后进行变换计算，就可以求出阶比幅值和相位。

2.2错位量

齿轮的错位量,即两个齿轮实际的位置关系与理想位置关系之间的差量,错轮错位不仅会影响其使用年限,还会在齿轮啮合过程中产生振动以及噪声,对于变速箱的稳定性与安全性造成影响。,四组齿轮中,第三组齿轮的错位量明显高于其他三组,通过进一步分析变速箱结构发现,造成第三组齿轮错位量大的主要原因是变速箱内部结构特点。在不改变变速箱结构的基础上,只能通过提高齿轮、轴承刚性的方式降低第三组齿轮的错位量。

2.3网格检验

计算结果的精确度与网格质量密切相关。在对网格剖分过程中，由于某些网格剖分会产生不理想的外形，在使用FEM软件的分析过程中，会产生网格构形的预警信号，严重时还会造成网格构型的破坏，所以在划分网格的时候，一定要检查网格的质量。通过检验，网格结构满足连续性的要求，网眼结构的质量达到规定的标准。

2.4错位量

齿轮的错位量,即两个齿轮实际的位置关系与理想位置关系之间的差量,错轮错位不仅会影响其使用年限,还会在齿轮啮合过程中产生振动以及噪声,对于变速箱的稳定性与安全性造成影响。

3变速箱传动系统优化设计

齿轮宏观参数包括齿轮的齿数、螺旋角、齿宽等,在大多数情况下,齿轮某一项性能的高低,是由多个参数综合决定的。因此,研究人员为了使齿轮获得最佳综合性能,积极尝试对齿轮宏观参数进行优化。为解决变速箱齿轮振动问题,研究人员兼顾宏观优化高效性以及有效性,选取优化重合度。在影响齿轮传动系统稳定性的众多因素中,重合度是较为重要的一个因素,齿轮重合度越高,表示传动愈平滑,变速箱振动愈小;反之则会使传动系统出现共振现象,降低变速箱可靠性以及使用寿命。此外,每一个齿轮所承受的荷载越小,齿轮使用寿命也会相应得到提升。研究人员为增大齿轮重合度角度,在不改变齿轮刚性的前提下,对模数、齿数、螺旋角等参数进行优化调整。在进行优化之前,为确保齿轮强度满足使用要求并保持齿轮齿宽不变,研究人员对齿轮优化设计施加了五种约束条件。分别为:齿轮滑动率<3;齿轮不跟切;齿顶厚度大于0.25倍数模值;过渡曲线不干涉;齿顶间隙超过0.15倍数模值。基于这五种约束条件,研究人员将压力角设定为20°,将模数设定为标准模数,确保齿轮顶高系数与顶隙系数一致,对齿轮进行参数优化。为进一步减少齿轮变速箱振动,研究人员在变速箱宏观参数优化的基础上,对齿轮进行微观修形。齿轮变速箱齿轮的微观修形包括齿面处理、齿形设计和模数修正等环节。齿面处理一般包括热处理、表面处理和磨削等技术,通过微观修形可以改善齿面硬度、耐磨性以及精度等特性;齿形设计是指根据齿轮的传动要求,采用有效的设计方法,使齿轮的载荷分布合理,以满足传动要求;模数修正是指在齿形设计后,根据实际情况,通过调整模数参数,使齿形更加合理,从而改善传动效率。目前常用的齿向修形方法包括螺旋角修形、齿向起鼓修形两种。前者通过调整螺旋角大小,实现齿轮实际齿面与理论齿面不在同一位置条件下对其进行修整。由于齿轮生产厂家在设计加工齿轮时,针对螺旋角的改变量控制难度较高。因此,齿向起鼓修形成为一种更有效和准确的齿轮修形方式。该方法的原理是对齿轮中间部分进行人工鼓起,令齿轮沿齿宽方向的两侧对称,避免齿轮在运行过程中发生位移。

4测功机疲劳寿命测试

测功机又称差速测功机、传动测功机，主要用于汽车工业对轮齿组的可靠性、机械整体性等方面的测试。本文中所采用的测力仪主要用于对齿轮箱中各部件的寿命进行测试。对齿轮箱来说，其疲劳寿命的计算方法主要有四种：增加的应用型、单齿轮寿命测试方法、齿轮周期测试方法、S-N曲线测试方法。但是，目前还没有针对两挡电动汽车变速器的换挡周期规范，只能通过单挡寿命测试来评价。在这里对超越离合器的疲劳寿命试验，指的是在规定的载荷谱下对其进行一定的加速疲劳测试。在测试完成之后，要将变速箱拆解，并对超越离合器的磨损状态进行观察，如果出现了损坏，就要对损坏的具体情况以及造成的原因进行分析。通过内环与外环在试验之前与试验之后的对比发现，加速疲劳试验后，内圈的整体结构未见其他破坏形式，但外侧有明显的划痕，且划痕不规则，表明滚子与内圈接触部位存在相对滑移。而对其外圈进行了加速疲劳实验，发现其整体无破坏现象。在外环内部可以看到，前向表面的刮痕明显大于后向表面。这是因为在设定负载谱时，前冲的时间要远大于后退的时间，且外圈刮伤的相对位置是固定的，因此，尽管滚子与外圈的接触存在着相对的滑动，但是滑动的位置相对较小。整体而言，超限离合器试验合格。

结语

变速箱作为汽车传动系统中的核心零部件,其稳定性与可靠性,对于汽车的驾驶感以及安全性产生着直接影响。因此,研究人员对变速箱产生振动的原因进行深度分析,利用静态分析与模态分析两种方式,寻找导致齿轮变速箱出现振动的原因,并通过对齿轮变速箱宏观参数的优化,降低齿轮荷载波动,避免齿轮、轴承以及传动轴等零件在荷载力作用下发生形变,为汽车制造业发展提供帮助。

参考文献

[1]刘卓然,陈健,林凯.国内外电动汽车发展现状与趋势[J].电力建设,2015,36(7):25-32.

[2]李苏秀,刘颖琦,王静宇.基于市场表现的中国新能源车产业发展政策剖析[J].中国人口资源与环境,2016,26(9):158-166.5-6.

[3]刘卓然,陈健,林凯,赵英杰,许海平.国内外电动汽车发展现状与趋势[J].电力建设,2015,36(07)