混合動力變速箱齒輪修形優化范文

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《河南科技大學學報》2016年第二期

摘要：

深度混合動力變速箱內的齒輪嚙合產生的激振力引起箱體振動，齒輪接觸狀況不良噪音過大是變速箱的主要噪聲來源。運用Kisssoft軟件，建立了混合動力齒輪傳動系統仿真模型，選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案對齒輪進行優化改進，改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩性。為驗證齒輪修形的優化效果，對比齒輪優化前后箱體的噪聲情況，選取特定純電動工況下，對混合動力系統進行噪聲試驗。試驗結果表明：在齒輪修形優化之后，箱體的噪音明顯降低，噪聲、振動和聲振粗糙度性能得到明顯改善。

關鍵詞：

混合動力變速箱；NVH；齒輪修形；Kisssoft軟件；噪聲試驗

深度混合動力汽車與傳統汽車相比，在經濟性、排放性和動力性等方面具有獨一無二的優勢［1］。但是，隨著混合動力技術的快速發展，人們對混合動力汽車乘坐舒適性的要求也越來越高，振動噪聲性能成為衡量車子好壞的重要指標。由于混合動力汽車在關鍵部件和結構布置上都發生了很大的改變，相應地對振動噪聲的控制也產生了新的問題。變速箱是主要的噪聲源之一，因此，對混合動力變速箱的減振降噪優化的研究具有重要意義［2－4］。目前，國內許多學者都對此做出了相應的研究。文獻［5］在某動力分流混合動力變速箱非穩態工況條件下進行試驗，利用階次分析技術，識別其主要噪聲源。文獻［6］以功率分流式混合動力變速箱為研究對象，運用有限元法對箱體進行模態分析，得到箱體的固有頻率，為箱體的前期開發和后期優化提供了依據。但是，國內對混合動力變速箱的研究較少，沒有形成一個有效的方法來指導產品的開發。混合動力分流系統的電控無級式自動變速器是強油電深度混合動力變速器，由行星齒輪機構、主減速器、差速器、大小電機和液壓閥板等結構組成［7］。變速箱內的齒輪嚙合產生的動態激振力引起箱體振動，經過箱體輻射產生噪聲。齒輪接觸狀況不良引起的噪音過大是變速箱的主要噪聲來源［8］，因此，對齒輪副的優化設計成為變速箱降噪減振的核心工作之一。本文選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案，運用Kisssoft軟件對齒輪進行修形優化仿真，以改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩性。并在混合動力汽車常用特定工況下對箱體進行噪聲試驗，驗證齒輪噪聲優化效果。

1混合動力系統仿真模型

1．1混合動力齒輪傳動系統結構參數拉維納行星齒輪包括1個大太陽輪、2個長行星輪、1個小太陽輪、3個短行星輪和內齒圈等［9］，結構如圖1所示。需要確定的參數有齒數、固定傳動比、壓力角、螺旋角、中心距、齒寬、頂圓直徑、根圓直徑、分度圓直徑、基圓直徑、齒頂間隙、法向側隙、端面重合度和總重合度等。表1是拉維納行星齒輪結構參數，其中以小太陽輪的旋轉方向為正方向。

1．2混合動力齒輪傳動系統仿真模型的建立在Kisssoft軟件中，Kisssys是管理工具，用來將各零部件之間建立關系，同時，一份文件可完成多個基于標準的計算。用戶可以在非常短的時間內完成對整個傳動系數參數已知條件的輸入、經驗值的植入以及最終軟件詳細結果的輸出。具體步驟如下：（Ⅰ）在Kisssys軟件中準確建立運動仿真簡圖（即概念建模），以便于后期完成軸系幾何數據、軸承以及齒輪具體參數的導入。（Ⅱ）將詳細的齒輪副參數、軸系幾何數據以及軸承的參數添加到模型當中，然后基于這些數據，在Kisssys軟件中建立詳細的3D幾何模型，如圖2所示。（Ⅲ）在Kisssys中自定義一張類似Excel的功能表格，通過一些語句和規則來控制可管理各項計算程序的結果。將Kisssoft需要設置的細節參數編輯到表格當中，運行整個傳動系統的強度計算功能，適時地更新表格的數據。定義好所有零部件之間的裝配關系，建立齒輪副的嚙合關系。建立混合動力系統的仿真模型，通過傳動系統的建模得到反映混合動力系統的齒輪機構，為下一步齒輪修形優化以及解決噪聲問題奠定基礎。

2齒輪副優化設計及評價

2．1齒輪修形優化設計齒輪在系統絕對剛性且無任何安裝制造誤差的情況下，齒面接觸狀況最理想，傳遞誤差曲線在理想條件下為一條直線。而在實際工作中齒輪會因傳動系統殼體、軸、軸承及其自身等變形而出現錯位，導致齒輪的接觸狀況不再理想，使齒輪出現嚴重的偏載和傳遞誤差過大，最終齒輪載荷能力（壽命）下降和傳動不平穩，導致噪音過大。因此，為了校正齒面接觸狀況不良和提高齒輪傳動平穩性，必須對齒輪進行修形，優化齒面接觸狀況，使接觸斑點達到最優［10］。Kisssoft軟件可以對齒廓、齒向和對角進行修形，應用拋物線修形和鼓形修形等不同的方法及組合，得到合理的修形曲線。在Kisssoft軟件修形完之后，分析齒輪強度在修形前后的變化來判斷修形的好壞，同時也可以直觀比較齒輪傳遞誤差和接觸斑點的變化。修形時，定義一組修形參數，并不斷調整，減小傳遞誤差并優化接觸斑點，以降低最大齒面接觸及齒根彎曲的應力作為目標進行修形。本文選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案。采用齒廓修形的方法可以消除輪齒嚙入和嚙出沖擊，即沿齒高方向從齒面上切掉一部分材料來改變齒廓形狀消除干涉，本文選擇長修形方式。

采用齒向修形的方法是根據輪齒受力后產生的變形，將齒輪螺旋角和軸向齒形按預定規律進行修正，以獲得較為均勻的齒向載荷分布，本文選擇鼓形修形，獲得鼓形量的大小和鼓形中心在齒向方向上的位置。在修形之前首先要選定分析的工況，由于行星排機構工況點繁多，為避免發動機噪音對齒輪系統噪聲研究的影響，因此，將修形和優化設計的重點放在純電動工況下。

在常規工況下齒頂修緣7μm，修形起始位置為95．260mm。有效漸開度為7．612mm，修形的長度以1．000mm作為參考量。通過魯棒優化計算，在小區間范圍內迭代計算，以最小傳遞誤差值、最大應力值以及最小扭矩波動為目的，來設置修形參數和修形方案。設置好修形參數和修形方案后，計算得到修形結果以及修形后的K形圖。齒輪修形的基本參量都可以從K形圖中找到。圖3為左齒面齒廓修形K形圖，左右齒面修形方式一致。由圖3可得：齒頂修形長度為1．040mm，修形量為8μm；齒根修形長度為0．353mm，修形量為9μm；修形起始位置為95．260mm。圖4為左齒面齒向修形K形圖，左右齒面修形方式一致。由圖4可得：鼓形量為4μm，鼓形中心距為14．000mm。

2．2優化設計評價為了更直觀地觀察修形效果，可以得到接觸應力的3D視圖。限于文章篇幅，圖略。在齒輪未修形前，接觸應力圖兩側出現尖點，表明兩側受力很大，中間受力很小，應力分布嚴重不均。在修形的過程中，相比修形前，修形效果明顯，應力分布變得均勻，但是右側仍有尖點出現，不是很理想。繼續修改參數，不斷嘗試，得到最終修形效果，接觸應力圖分布很均勻，基本上可以很好地達到修形目的，效果較理想。此外，還可以得到齒輪應力接觸斑點圖，計算出抗膠合安全系數，同時還可以查看嚙合過程中的瞬時溫度曲線等，都可以得到和上述相同的結論。

3混合動力系統NVH性能驗證

本文依據優化仿真得到的齒輪參數制造出齒輪，依據臺架試驗，對齒輪修形優化前后的變速箱進行噪聲、振動和聲振粗糙度性能測試。

3．1試驗條件在純電動工況下對變速箱進行噪聲試驗，試驗在混合動力總成臺架上進行。動力總成臺架由兩個直流電機作為負載電機，變速箱內置電機作為輸出電機，采用主流標定軟件INCA控制箱體內電機的輸入參數。在此基礎上，設計一套振動噪聲試驗工裝，將混合動力總成、HBM扭矩傳感器和負載電機連接起來。混合動力變速箱差速器半軸和負載電機之間通過HBM扭矩傳感器連接，連接處添加軸承支座。噪聲實時監控系統通過控制器局域網絡總線與電機控制器動力控制單元進行通信，發送控制信號調節內部電機施加負載的大小，模擬混合動力汽車真實工作條件下的連接方式。通過控制內置驅動電機轉速，測試變速箱在不同轉速下的噪聲，噪聲測試系統如圖5所示。

3．2試驗結果分析選取純電動5～58km／h和58km／h常用車速，在內置大電機E2作為電動機或者發電機工作模式下，選取勻加速和穩速工況進行試驗驗證。

3．2．1純電動模式5～58km／h勻加速工況純電動模式5～58km／h勻加速工況下，E2電機輸出扭矩40N•m，對齒輪系統優化前后的噪聲試驗測量結果進行對比分析。圖6為測得的前后端麥克風噪音總值的比較。由圖6可知：齒輪優化后，在純電動模式5～58km／h勻加速工況下，麥克風測得的箱體前后端整體噪音降低明顯，截取25．66s時前端麥克風的試驗結果，噪音從97．19dB降低到87．17dB，降低了10dB左右；截取22．29s和34．68s后端麥克風的測試結果，噪音分別降低了13dB和4dB左右，整體降噪效果十分明顯。由麥克風測量也可得頻譜圖，圖7為改進后前端麥克風頻譜圖。齒輪優化后，在此測試工況下行星排齒輪噪音降低，一階嘯叫強度和二階嘯叫強度得到明顯改善，降噪的效果十分明顯。

3．2．2純電動模式58km／h穩速工況在純電動模式58km／h的穩速工況下，以大電機E2作為電動機和發電機進行噪聲測試，得到齒輪優化前后的測試結果。圖8為后端麥克風噪音總值的比較。由圖8可見：在電動模式58km／h，E2作為電動機，E2驅動扭矩臺階工況下，齒輪未優化前箱體后端噪音值為99．51dB，優化后噪音值變為88．95dB，噪音降低10dB左右，同樣可知，齒輪優化后箱體前端噪音降低8dB左右，降噪明顯。同時，發現新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現象，隨力矩變化比較平緩，說明噪音與負載沒有直接關系。在電動模式58km／h，E2作為發電機，E2發電扭矩臺階工況下，對前端麥克風噪音進行比較，見圖9。截取26．26s和240．99s觀察齒輪優化前后噪音測試結果。由圖9可知：齒輪優化后箱體降噪明顯，并且與E2驅動扭矩工況相似，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現象，隨力矩變化比較平緩，進一步說明噪音與負載沒有直接關系。

4結論

（1）齒輪接觸狀況不良噪音過大是變速箱的主要噪聲來源，在特定純電動工況下，選取齒廓修形和齒向修形相結合的修形方案，運用Kisssoft軟件對齒輪進行修形優化，齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩性得到了很好的改善。（2）根據修形前后的齒輪參數制造出來的齒輪，依據變速箱臺架試驗，選取混合動力汽車常用車速，在純電動工況下分別進行5～58km／h勻加速和58km／h穩速的噪音試驗。對比齒輪優化前后的測試結果，齒輪優化后箱體噪音得到明顯改善。并且發現在純電動工況下，噪音與負載沒有直接關系，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現象，隨力矩變化比較平緩，前端變速箱比后端改善大。（3）齒輪修形優化之后，箱體的噪音明顯降低，NVH性能得到明顯改善，證明了齒輪修形優化對整個混合動力汽車的減振降噪具有重要意義。

作者：潘公宇 王憲錳 李東 梁艷春 單位：江蘇大學 汽車與交通工程學院