潘公宇，王憲錳,李　東，梁艷春

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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混合動力變速箱齒輪修形優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

潘公宇，王憲錳,李東，梁艷春

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：深度混合動力變速箱內(nèi)的齒輪嚙合產(chǎn)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(yùn)用Kiss soft軟件，建立了混合動力齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型，選取齒廓修形和齒向修形相結(jié)合的修形方案對齒輪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性。為驗(yàn)證齒輪修形的優(yōu)化效果，對比齒輪優(yōu)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(tǒng)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在齒輪修形優(yōu)化之后，箱體的噪音明顯降低，噪聲、振動和聲振粗糙度(noise，vibration，harshness，NVH)性能得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：混合動力變速箱；NVH；齒輪修形;Kiss soft軟件；噪聲試驗(yàn)

0引言

深度混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，在經(jīng)濟(jì)性、排放性和動力性等方面具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢[1]。但是，隨著混合動力技術(shù)的快速發(fā)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(biāo)。

由于混合動力汽車在關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)布置上都發(fā)生了很大的改變，相應(yīng)地對振動噪聲的控制也產(chǎn)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(yōu)化的研究具有重要意義[2-4]。目前，國內(nèi)許多學(xué)者都對此做出了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)[5]在某動力分流混合動力變速箱非穩(wěn)態(tài)工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)，利用階次分析技術(shù)，識別其主要噪聲源。文獻(xiàn)[6]以功率分流式混合動力變速箱為研究對象，運(yùn)用有限元法對箱體進(jìn)行模態(tài)分析，得到箱體的固有頻率，為箱體的前期開發(fā)和后期優(yōu)化提供了依據(jù)。但是，國內(nèi)對混合動力變速箱的研究較少,沒有形成一個(gè)有效的方法來指導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)。

混合動力分流系統(tǒng)的電控?zé)o級式自動變速器(electronic continuously variable transmission，E-CVT)是強(qiáng)油電深度混合動力變速器，由行星齒輪機(jī)構(gòu)、主減速器、差速器、大小電機(jī)和液壓閥板等結(jié)構(gòu)組成[7]。變速箱內(nèi)的齒輪嚙合產(chǎn)生的動態(tài)激振力引起箱體振動，經(jīng)過箱體輻射產(chǎn)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(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)合的修形方案，運(yùn)用Kiss soft軟件對齒輪進(jìn)行修形優(yōu)化仿真，以改善齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性。并在混合動力汽車常用特定工況下對箱體進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，驗(yàn)證齒輪噪聲優(yōu)化效果。

1混合動力系統(tǒng)仿真模型

1.1混合動力齒輪傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

拉維納行星齒輪包括1個(gè)大太陽輪、2個(gè)長行星輪、1個(gè)小太陽輪、3個(gè)短行星輪和內(nèi)齒圈等[9]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.內(nèi)齒圈；2.小太陽輪S1；3.大太陽輪S2；4.長行星輪P1;5.短行星輪P2；6、7、8、9.減速齒輪;10、11.電機(jī)泵齒輪。圖1　拉維納行星齒輪結(jié)構(gòu)

需要確定的參數(shù)有齒數(shù)、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(cè)隙、端面重合度和總重合度等。

表1是拉維納行星齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中以小太陽輪的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较颉?/p>

1.2混合動力齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型的建立

在Kiss soft軟件中，Kiss sys是管理工具，用來將各零部件之間建立關(guān)系，同時(shí)，一份文件可完成多個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算。用戶可以在非常短的時(shí)間內(nèi)完成對整個(gè)傳動系數(shù)參數(shù)已知條件的輸入、經(jīng)驗(yàn)值的植入以及最終軟件詳細(xì)結(jié)果的輸出。具體步驟如下：

(Ⅰ)在Kiss sys軟件中準(zhǔn)確建立運(yùn)動仿真簡圖(即概念建模)，以便于后期完成軸系幾何數(shù)據(jù)、軸承以及齒輪具體參數(shù)的導(dǎo)入。

(Ⅱ)將詳細(xì)的齒輪副參數(shù)、軸系幾何數(shù)據(jù)以及軸承的參數(shù)添加到模型當(dāng)中，然后基于這些數(shù)據(jù)，在Kiss sys軟件中建立詳細(xì)的3D幾何模型，如圖2所示。

(Ⅲ)在Kiss sys中自定義一張類似Excel的功能表格，通過一些語句和規(guī)則來控制可管理各項(xiàng)計(jì)算程序的結(jié)果。將Kiss soft需要設(shè)置的細(xì)節(jié)參數(shù)編輯到表格當(dāng)中，運(yùn)行整個(gè)傳動系統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算功能，適時(shí)地更新表格的數(shù)據(jù)。定義好所有零部件之間的裝配關(guān)系，建立齒輪副的嚙合關(guān)系。

表1　拉維納行星齒輪各結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　傳動系統(tǒng)的Kiss sys模型

建立混合動力系統(tǒng)的仿真模型，通過傳動系統(tǒng)的建模得到反映混合動力系統(tǒng)的齒輪機(jī)構(gòu)，為下一步齒輪修形優(yōu)化以及解決噪聲問題奠定基礎(chǔ)。

2齒輪副優(yōu)化設(shè)計(jì)及評價(jià)

2.1齒輪修形優(yōu)化設(shè)計(jì)

齒輪在系統(tǒng)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(shí)際工作中齒輪會因傳動系統(tǒng)殼體、軸、軸承及其自身等變形而出現(xiàn)錯(cuò)位，導(dǎo)致齒輪的接觸狀況不再理想，使齒輪出現(xiàn)嚴(yán)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(wěn)，導(dǎo)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(wěn)性，必須對齒輪進(jìn)行修形，優(yōu)化齒面接觸狀況，使接觸斑點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)[10]。

Kiss soft軟件可以對齒廓、齒向和對角進(jìn)行修形，應(yīng)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Kiss soft 軟件修形完之后，分析齒輪強(qiáng)度在修形前后的變化來判斷修形的好壞，同時(shí)也可以直觀比較齒輪傳遞誤差和接觸斑點(diǎn)的變化。修形時(shí)，定義一組修形參數(shù)，并不斷調(diào)整，減小傳遞誤差并優(yōu)化接觸斑點(diǎn)，以降低最大齒面接觸及齒根彎曲的應(yīng)力作為目標(biāo)進(jìn)行修形。

本文選取齒廓修形和齒向修形相結(jié)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(jù)輪齒受力后產(chǎn)生的變形，將齒輪螺旋角和軸向齒形按預(yù)定規(guī)律進(jìn)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(jī)構(gòu)工況點(diǎn)繁多，為避免發(fā)動機(jī)噪音對齒輪系統(tǒng)噪聲研究的影響，因此，將修形和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在純電動工況下。

在常規(guī)工況下齒頂修緣7 μm，修形起始位置為 95.260 mm。有效漸開度為7.612 mm，修形的長度以1.000 mm 作為參考量。通過魯棒優(yōu)化計(jì)算，在小區(qū)間范圍內(nèi)迭代計(jì)算，以最小傳遞誤差值、最大應(yīng)力值以及最小扭矩波動為目的，來設(shè)置修形參數(shù)和修形方案。

設(shè)置好修形參數(shù)和修形方案后，計(jì)算得到修形結(jié)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1.040 mm,修形量為8 μm；齒根修形長度為0.353 mm,修形量為9 μm；修形起始位置為95.260 mm。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4 μm,鼓形中心距為14.000 mm。

圖3 左齒面齒廓修形K形圖圖4 左齒面齒向修形K形圖

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)評價(jià)

為了更直觀地觀察修形效果，可以得到接觸應(yīng)力的3D視圖。限于文章篇幅，圖略。在齒輪未修形前，接觸應(yīng)力圖兩側(cè)出現(xiàn)尖點(diǎn)，表明兩側(cè)受力很大，中間受力很小，應(yīng)力分布嚴(yán)重不均。在修形的過程中，相比修形前，修形效果明顯，應(yīng)力分布變得均勻，但是右側(cè)仍有尖點(diǎn)出現(xiàn)，不是很理想。繼續(xù)修改參數(shù)，不斷嘗試，得到最終修形效果，接觸應(yīng)力圖分布很均勻，基本上可以很好地達(dá)到修形目的，效果較理想。

此外，還可以得到齒輪應(yīng)力接觸斑點(diǎn)圖，計(jì)算出抗膠合安全系數(shù)，同時(shí)還可以查看嚙合過程中的瞬時(shí)溫度曲線等，都可以得到和上述相同的結(jié)論。

3混合動力系統(tǒng)NVH性能驗(yàn)證

本文依據(jù)優(yōu)化仿真得到的齒輪參數(shù)制造出齒輪，依據(jù)臺架試驗(yàn)，對齒輪修形優(yōu)化前后的變速箱進(jìn)行噪聲、振動和聲振粗糙度(noise,vibration,harshness,NVH)性能測試。

3.1試驗(yàn)條件

在純電動工況下對變速箱進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)在混合動力總成臺架上進(jìn)行。動力總成臺架由兩個(gè)直流電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，變速箱內(nèi)置電機(jī)作為輸出電機(jī)，采用主流標(biāo)定軟件INCA控制箱體內(nèi)電機(jī)的輸入?yún)?shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套振動噪聲試驗(yàn)工裝，將混合動力總成、HBM扭矩傳感器和負(fù)載電機(jī)連接起來。

混合動力變速箱差速器半軸和負(fù)載電機(jī)之間通過HBM扭矩傳感器連接，連接處添加軸承支座。噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(noise control act,NCA)通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線與電機(jī)控制器動力控制單元(power electronic unit,PEU)進(jìn)行通信，發(fā)送控制信號調(diào)節(jié)內(nèi)部電機(jī)施加負(fù)載的大小，模擬混合動力汽車真實(shí)工作條件下的連接方式。通過控制內(nèi)置驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，測試變速箱在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲，噪聲測試系統(tǒng)如圖5所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

選取純電動5～58 km/h和58 km/h常用車速，在內(nèi)置大電機(jī)E2作為電動機(jī)或者發(fā)電機(jī)工作模式下，選取勻加速和穩(wěn)速工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.1純電動模式5～58 km/h勻加速工況

純電動模式5～58 km/h勻加速工況下，E2電機(jī)輸出扭矩40 N·m,對齒輪系統(tǒng)優(yōu)化前后的噪聲試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖6為測得的前后端麥克風(fēng)噪音總值的比較。

由圖6可知：齒輪優(yōu)化后，在純電動模式5～58 km/h勻加速工況下，麥克風(fēng)測得的箱體前后端整體噪音降低明顯，截取25.66 s時(shí)前端麥克風(fēng)的試驗(yàn)結(jié)果，噪音從97.19 dB降低到87.17 dB，降低了10 dB左右；截取22.29 s和34.68 s后端麥克風(fēng)的測試結(jié)果，噪音分別降低了13 dB和4 dB左右，整體降噪效果十分明顯。

由麥克風(fēng)測量也可得頻譜圖，圖7為改進(jìn)后前端麥克風(fēng)頻譜圖。齒輪優(yōu)化后，在此測試工況下行星排齒輪噪音降低，一階嘯叫強(qiáng)度和二階嘯叫強(qiáng)度得到明顯改善，降噪的效果十分明顯。

圖5 噪聲測試系統(tǒng)流程圖6 5～58km/h勻加速工況噪音總值比較

3.2.2 純電動模式58 km/h穩(wěn)速工況

在純電動模式58 km/h的穩(wěn)速工況下，以大電機(jī)E2作為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲測試，得到齒輪優(yōu)化前后的測試結(jié)果。圖8為后端麥克風(fēng)噪音總值的比較。

由圖8可見：在電動模式58 km/h，E2作為電動機(jī)，E2驅(qū)動扭矩臺階工況下，齒輪未優(yōu)化前箱體后端噪音值為99.51 dB，優(yōu)化后噪音值變?yōu)?8.95 dB,噪音降低10 dB左右，同樣可知，齒輪優(yōu)化后箱體前端噪音降低8 dB左右，降噪明顯。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)象，隨力矩變化比較平緩，說明噪音與負(fù)載沒有直接關(guān)系。

圖7 改進(jìn)后前端麥克風(fēng)頻譜圖圖8 E2驅(qū)動電動模式58km/h后端麥克風(fēng)噪音總值比較

圖9　E2發(fā)電機(jī)電動模式58 km/h前端麥克風(fēng)噪音總值比較

在電動模式58 km/h，E2作為發(fā)電機(jī)，E2發(fā)電扭矩臺階工況下，對前端麥克風(fēng)噪音進(jìn)行比較，見圖9。截取26.26 s和240.99 s觀察齒輪優(yōu)化前后噪音測試結(jié)果。由圖9可知：齒輪優(yōu)化后箱體降噪明顯，并且與E2驅(qū)動扭矩工況相似，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)象，隨力矩變化比較平緩，進(jìn)一步說明噪音與負(fù)載沒有直接關(guān)系。

4結(jié)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(jié)合的修形方案，運(yùn)用Kiss soft軟件對齒輪進(jìn)行修形優(yōu)化，齒輪齒面接觸狀況和齒輪傳動平穩(wěn)性得到了很好的改善。

(2)根據(jù)修形前后的齒輪參數(shù)制造出來的齒輪，依據(jù)變速箱臺架試驗(yàn)，選取混合動力汽車常用車速，在純電動工況下分別進(jìn)行5～58 km/h勻加速和58 km/h穩(wěn)速的噪音試驗(yàn)。對比齒輪優(yōu)化前后的測試結(jié)果，齒輪優(yōu)化后箱體噪音得到明顯改善。并且發(fā)現(xiàn)在純電動工況下，噪音與負(fù)載沒有直接關(guān)系，新齒輪噪音整體上沒有明顯的階梯現(xiàn)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(yōu)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(yōu)化對整個(gè)混合動力汽車的減振降噪具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]EGHTESSAD M,KASSEL T,KUECUEKAY F.Requirement engineering of electrified drivetrains[C]//9th International CTI Symposium.Berlin,2010.

[2]廖連瑩,李新文.混合動力電動汽車減振降噪技術(shù)研究[J].汽車科技,2012(4):67-71.

[3]岳明玥,周一丹,馬改.深度混合動力汽車NVH問題的研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(2):268-271.

[4]龐劍等.汽車噪聲與振動-理論與運(yùn)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:83-85.

[5]朱茂桃,徐祥,田園.動力分流混合動力變速箱噪聲源階次分析研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(3):220-223.

[6]潘公宇,梁艷春,沈登峰.功率分流式混合動力變速箱提動態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(11):181-187.

[7]王晨,趙治國,張彤,等.復(fù)合功率分流式e-CVT結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證[J].中國公路學(xué)報(bào),2015,28(3):117-126.

[8]亓文果,宋孔杰,張蔚波.齒輪箱類結(jié)構(gòu)振動功率流分析[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(1):6-9.

[9]趙航,史廣奎.混合動力電動汽車技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:42-52.

[10]王統(tǒng),賈毅,邱良恒.漸開線齒輪修形方法的進(jìn)展[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998,32(5):133-137.

中圖分類號：TH113.1；U463.212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-09-16

作者簡介：潘公宇(1965-),男,江蘇鎮(zhèn)江人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué).

基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃基金項(xiàng)目(2011AA11A207)；江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(QC201304)

文章編號：1672-6871(2016)03-0010-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.003