1 背景

泰興減速機專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強減速機2019年10月22日訊  隨著國家對新能源汽車越來越重視，國內(nèi)各大廠商以及造車新勢力都在新能源汽車方向投入了大量的精力，尤其對純電動汽車。純電動汽車相比傳統(tǒng)汽油車有很多的優(yōu)點，低碳環(huán)保，經(jīng)濟性，但也存在一些噪聲問題。由于失去了發(fā)動機的屏蔽效應(yīng)，電動車的風(fēng)噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級數(shù)值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會讓人感到煩躁而難以接受，人耳對其非常敏感，嚴重的影響車內(nèi)成員的舒適性和形勢品質(zhì)，所以必須對其進行優(yōu)化，提高車內(nèi)NVH水平。

2 嘯叫問題與優(yōu)化方法

2.1 嘯叫問題

本文此次優(yōu)化的是電動車的單級減速器，車內(nèi)成員在加速過程中，能聽到明顯的嘯叫聲（俗稱“口哨聲”）。經(jīng)過主觀判斷初步確定此噪聲是由減速器產(chǎn)生。隨后在整車半消聲室四驅(qū)靜音轉(zhuǎn)轂上進行測試，經(jīng)過客觀數(shù)據(jù)測試，采用階次分析方法并采用濾波回放等技術(shù)手段，判定此問題是由減速器第二級齒輪嚙合產(chǎn)生的10.38階次噪聲引起，由圖1所示。減速器嘯叫問題，主要是由于齒輪嚙合過程中傳遞誤差過大引起，通過齒輪軸，傳遞到軸承座最后通過殼體向外傳遞振動噪聲[1]。

圖1 駕駛員右耳噪聲colormap圖

2.2 優(yōu)化方法

減速器嘯叫噪聲是齒輪箱彈性系統(tǒng)在動態(tài)激勵載荷作用下產(chǎn)生的剛?cè)狁詈享憫?yīng)。齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵分內(nèi)部激勵和外部激勵。內(nèi)部激勵是齒輪副在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，這是齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生的主要原因。內(nèi)部激勵主要由時變嚙合剛度、傳遞誤差等因素引起；外部激勵是由電機轉(zhuǎn)矩波動、連接花鍵間隙等產(chǎn)生的動態(tài)沖擊。

優(yōu)化減速器嘯叫問題有多種途徑，首先可以降低減速器本體的內(nèi)部激勵，如剛度激勵，增加齒輪的重合度；誤差激勵，優(yōu)化齒輪齒形，提高加工、安裝精度等[3]；也可以通過合理布置軸系、優(yōu)化減速殼體避開共振區(qū)域等方式；同時也可以從傳遞路徑上進行優(yōu)化，根據(jù)外部傳遞路徑的不同，分為結(jié)構(gòu)傳遞路徑（懸置和車身）和空氣傳遞路徑（聲學(xué)包），如降低懸置橡膠剛度增大階次隔振率、包裹動力總成、加強車內(nèi)聲學(xué)包裝增強對嘯叫聲的吸收等措施[5]。綜合考慮到成本以及方案實施難度，本文最終決定對齒輪進行微觀修形，降低齒輪的傳遞誤差，從而優(yōu)化減速器嘯叫問題。

通過對齒輪齒形進行微觀的修形，可以顯著的的改善輪齒的載荷分布，減小齒輪內(nèi)部激勵如剛度激勵、誤差激勵、嚙合激勵等，從而優(yōu)化齒輪嘯叫噪聲。

2.3 傳遞誤差（TE）

齒輪嘯叫噪聲是由齒輪嚙合動態(tài)激勵引起的穩(wěn)態(tài)噪聲，是由受載齒輪嚙合過程中的傳遞誤差TE（Transmission Error）引起并通過頻率的調(diào)諧產(chǎn)生的一種噪聲。傳遞誤差是引起齒輪嘯叫噪聲的根本原因。齒輪在嚙合傳動過程中，由于齒輪加工誤差、裝配誤差、箱體及支撐件（軸、軸承）彈性變形等原因，使得實際嚙合與理論嚙合產(chǎn)生偏差，從而產(chǎn)生激勵力引起振動，振動通過支撐件以及箱體傳遞，從而輻射出噪聲。

傳遞誤差是用來描述齒輪傳動不平穩(wěn)的參數(shù)。理想中漸開線齒輪相互嚙合是沒有傳遞誤差的，從動輪會按照固定的傳遞率沿著主動輪的運動軌跡運動，但是現(xiàn)實中，由于傳遞誤差，導(dǎo)致從動輪會隨機的超前或落后其理論運動位置[2]。

理想狀態(tài)：ω1x R1=ω2x R2

實際狀態(tài)：TE=∫（ω1x R1-ω2x R2）d

圖2 傳遞誤差示意圖

3 模型建立與模型校驗

3.1 三維模型建立

根據(jù)廠商提高的相關(guān)數(shù)據(jù)進行三維模型建立，包括齒輪軸、齒輪、軸承、殼體等相關(guān)數(shù)據(jù)，由圖3所示：

圖3 變速箱三維模型

首先根據(jù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)建立齒輪傳動系統(tǒng)，第二級齒輪對的相關(guān)參數(shù)，由表1所示：

表1 齒輪基礎(chǔ)參數(shù)

3.2 三維模型校驗

將齒輪參數(shù)輸入到三維模型中，并對模型進行靜態(tài)分析，分析輪齒接觸情況。對比仿真與試驗所得的齒面接觸斑點結(jié)果（如圖4所示）可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有良好的一致性，仿真模型較為準確，仿真模型可以用于后續(xù)優(yōu)化分析。同時，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果均表明，齒面接觸處存在偏載問題，齒輪嚙合效果較差，需要對其進行優(yōu)化[4]。

圖4 仿真與實驗嚙合斑點對比圖

4 方案驗證

4.1 修形方案

基于遺傳算法，在現(xiàn)有加工技術(shù)條件下，對齒輪副的修形參數(shù)進行優(yōu)化，參數(shù)變量主要包括齒頂修緣量（Tr）、齒向鼓形量（Cβ）、齒向傾斜量（fHβ）、漸開線鼓形量（Ca）和漸開線傾斜量（fHa）。根據(jù)日常使用頻率，參數(shù)優(yōu)化工況主要參考50%最大扭矩。轉(zhuǎn)速為4000rpm，扭矩為67.5N。

圖5 修形示意圖

考慮各工況仿真結(jié)果，針對第二級齒輪主被動齒進行了如表2所示的微觀參數(shù)修形。

表2 檔位齒輪基礎(chǔ)參數(shù)

圖6 修形前后傳遞誤差（TE）對比

圖7 修形前后齒輪主動面嚙合對比

修形前傳遞誤差峰峰值為0.97um，誤差曲線存在突變，證明高頻諧波過大；齒面應(yīng)力偏載，偏向一側(cè)，修形后傳遞誤差峰峰值減小到0.21um，誤差曲線光滑無突變，如圖6所示；齒面應(yīng)力集中，不存在偏載現(xiàn)在。通過以上修形方案降低齒輪傳遞誤差以及優(yōu)化齒面接觸應(yīng)力，如圖7所示。

4.2 實驗驗證

將優(yōu)化后的減速器裝載到整車上，在相同測試環(huán)境下進行測試，通過測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)減速器第二級齒輪嚙合頻率聲壓級降低，如圖8、圖9所示。

圖8 修形前后駕駛員內(nèi)耳噪聲對比

圖9 修形前后駕駛員內(nèi)耳噪聲減速器階次曲線對比

5 結(jié)論

1）通過主觀及客觀測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題車內(nèi)嘯叫產(chǎn)生的部件以及原因；

2）通過實驗與仿真相結(jié)合進行齒輪微觀修形方案的驗證及優(yōu)化；

3）齒輪齒面接觸以及傳遞誤差的分析，可以作為齒輪嘯叫評估的依據(jù)，能更好的指導(dǎo)修形的方向；

4）通過降低傳遞誤差，可以有效的降低激勵源激勵，從而對減速器進行優(yōu)化。

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文章比較正確地分析了電動車減速器產(chǎn)生嘯叫的原因，運用仿真模擬手段分析了減速器齒輪傳遞誤差及齒面嚙合偏載等問題。根據(jù)分析的結(jié)果，進行了齒輪微觀修形，從而優(yōu)化減速器嘯叫問題。

論文文字流暢，條理清楚，合乎邏輯，具有一定的實用價值和經(jīng)濟價值，數(shù)據(jù)可靠，推導(dǎo)正確。

參考文獻:

[1]李潤方，王建軍 齒輪系統(tǒng)動力學(xué):振動、沖擊、噪聲 科學(xué)出版社，1997.

[2]Beacham,M.,Bell,D.,Powell,N.,and Savage,M.,"Development of Transmission Whine Prediction Tools," SAE Technical Paper 1990-01-1767,1999.

[3]Smith,J.D.,“Gear Noise and Vibration-Second Edition Revised and Expanded”,Marcel Dekker,Inc.2003.

[4]Moon-Gon Kim,Geum-Yong Jeon,"An Analytical Method to Reduce Gear Whine Noise,Including Validation with Test Data," SAE Technical Paper 2005-01-1819.

[5]龐劍，諶剛 汽車噪聲與振動理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.