1、 年第 期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李洪涛(长春职业技术学院,吉林 长春 )摘要:齿轮变速箱作为电动汽车传动系统中的重要组成部分,一旦其出现振动,会对整台汽车的安全性以及操作感带来严重影响.因此,研究人员尝试对变速箱传动系统模态进行深入分析,基于齿轮传递误差,分析齿轮变速箱振动原因.在此基础上,针对齿轮传动系统进行宏观参数优化,通过这种方式提高电动汽车齿轮变速箱传动效率.关键词:齿轮变速箱;齿轮传动系统;齿轮传递误差中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:X()A n a l y s i so fV i b r a t i o nC a u s e so fG e
2、a rB o xo fE l e c t r i cV e h i c l ea n dO p t i m i z a t i o no fG e a rT r a n s m i s s i o nS y s t e mD e s i g nL iH o n g t a o(C h a n g c h u nV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,J i l i nC h a n g c h u n )A b s t r a c t:A sa n i m p o r t a n tp a r to f t h e t r
3、 a n s m i s s i o ns y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e s,t h ev i b r a t i o no f t h eg e a rb o xw i l l h a v e a s e r i o u s i m p a c t o n t h e s a f e t ya n do p e r a t i o no f t h e e n t i r ev e h i c l e T h e r e f o r e,r e s e a r c h e r s t r y t oc o n d u c ti n d e
4、p t ha n a l y s i so nt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m m o d eo f t h eg e a r b o x,a n da n a l y z e t h ev i b r a t i o nr e a s o no f t h eg e a r b o xb a s e do nt h eg e a r t r a n s m i s s i o ne r r o r O nt h i sb a s i s,t h em a c r op a r a m e t e r so f t h eg e a r t r
5、a n s m i s s i o ns y s t e ma r eo p t i m i z e dt o i m p r o v e t h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo f t h ee l e c t r i cv e h i c l eg e a rb o x K e yw o r d s:G e a rb o x;G e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e m;G e a r t r a n s m i s s i o ne r r o r作者简介:李洪涛()男,汉族,吉林省长春人
6、,本科学历,助理工程师,研究方向:机械设计制造.随着汽车制造行业的不断发展,对于电动汽车齿轮性能的要求不断提高,相关研究人员积极尝试降低齿轮振动,以及齿轮运行过程中出现的噪音.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.三挡变速箱模型建立及仿真模态分析本次研究围绕电动汽车三挡变速箱开展,该类型变速箱主要由传动机构与操作系统两个部分构成(如图所示).图三挡齿轮变速箱结构图分析图可以发现,该齿轮变速箱拥有四对齿轮动力传递系统,根据每一套齿轮传动系统具体参数,研究人员利用MA S T A软件建立动力学仿真模型
7、.传统的变速箱模型中,将变速箱内部的轴承以及齿轮视为刚体,并将刚体的刚度设定为无限大.未考虑齿轮轮毂以及轴承等零件在运行过程中可能发生的弹性形变,导致仿真数据与变速箱真实工作状态不符.为解决这一问题,本次研究中将轴承轮毂、壳体等零件的刚度矩阵、质量矩阵等信息代入模型,令其聚节点与相应的轴承连接为完整的机械结构,通过这种方式引入齿轮变速箱整体刚度影响,令仿真实验数据与齿轮变速箱真实状态更为贴近.静态分析想要深入分析齿轮变速箱振动问题,分析其内部相关零件安全系数以及零件损伤率是一个重要的入手点.研究人员通过静态分析,判断齿轮传动系统的可靠性.本次研究中,由于齿轮变速箱中的轴承以及齿轮承受的荷载较大
8、,更容易发生形变.因此研究人员着重对轴承与齿轮进行静态分析.安全性分析变速箱中的齿轮零件,其主要作用是传递动力,一旦其稳定性以及安全性出现问题,会对变速箱整体稳定性造成直接影响.研究人员基于安全系数、损伤率以及错误量三项指标,对齿轮零件的安全性进行科学分析.齿轮的安全系数,即允许使用应力与实际应力的比例,该系数包含弯曲安全系数与接触安全系数两项指标.理想状态下,齿轮安全系数应,而在实际制备齿轮零件以及装配零件过程中,难免会出现误差.因此,需要将误内燃机与配件w w w n r j p j c n差计算在内,将齿轮安全系数调高至 才能保障齿轮零件的安全性.当变速箱处于档状态时,其内部所用齿轮零件
9、参与啮合,这种状态下齿轮所受到的冲击荷载最大.因此,研究人员基于变速箱档状态对齿轮零件进行静态分析.经过静态分析,研究人员发现四组齿轮中,弯曲安全系数最低值为 ,最高值为 ;接触安全系数最低值为 ,最高值为 ,均高于,证明变速箱在档状态下,所有齿轮零件安全系数均符合要求,无需更换零件或者对齿轮进行修形.损伤率研究人员假定齿轮在应力的作用下并未发生破损的使用循环周期为N,设齿轮破损之前的使用周期为N,则变速箱工作过程中,齿轮使用N次之后的破损程度为N/N.研究人员设齿轮损伤率为U,则U的计算公式为:UUiNlNfNlNf()公式()中,Ui表示齿轮在i工况下的损伤率,Nl则为工况i下齿轮实际循环
10、周期,Nf表示工况i下齿轮允许使用循环周期.研究人员运用P a l m g r e n算法计算齿轮线性累积疲劳数值,假设齿轮承载的负荷不变,齿轮疲劳累积具有线性规律,如果齿轮箱在四种不同的工况下,其累积损伤率 ,则表明齿轮即将失效.损伤率也分为弯曲损伤以及接触损伤两类,在静态分析中,损伤率数值越小,则表明齿轮安全性越高.研究人员通过分析齿轮在四种工况状态下的损伤率实验数据发现,左侧齿轮副 大齿轮的弯曲损伤率为 ,右侧齿轮副 小齿轮的接触损伤率为 ,其余数据均为.两项数据均低于 ,表明四组齿轮损伤率均符合使用要求.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
11、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.本次研究中,工作人员模拟四种工况,并记录变速箱内所有齿轮的错位量(详见表).表变速箱齿轮错位量圆柱齿轮啮合错位(m)齿轮副啮合齿轮 负荷状态下 负荷状态下 负荷状态下 负荷状态下齿轮副小齿轮到大齿轮小齿轮 大齿轮 齿轮副小齿轮到大齿轮小齿轮 大齿轮 齿轮副小齿轮到大齿轮小齿轮 大齿轮 齿轮副小齿轮到大齿轮小齿轮 大齿轮 分析表可以发现,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
12、高齿轮、轴承刚性的方式降低第三组齿轮的错位量.轴疲劳可靠性分析传动轴是连接轴承与齿轮的重要零件,变速箱运行过程中,轴承的作用力传导至传动轴处,可能导致传动轴发生形变.此外,传动轴运转过程中产生的弯矩、扭矩也会导致其自身出现塑性变形或者疲劳失效问题.一旦传动轴变形或者破损,会导致变速箱振动.因此,研究人员对变速箱内四根传动轴进行静态分析,判断其传动系统的可靠性.本 次 研 究 中 使 用 的 变 速 箱,其 内 部 传 动 轴 由 C r材料制作,通过仿真实验得到四根转动轴的静态安全系数、疲劳安全系数具体数值(详见表).表传动轴疲劳安全系数轴疲劳安全系数最低值静态安全系数最低值输入轴 第二轴 第
13、三轴 输出轴 分析表可以发现,四根传动轴的疲劳安全系数、静态安全系数最低值均高于,说明四根传动轴的可靠性符合变速箱使用需求.变速箱传动装置模态分析变速箱传动系统耦合模态分析,是基于某一种工况下,对所有参与做功的齿轮进行的模态分析,通过这种方式计算变速箱低阶频率以及振动类型.本次研究中,工作人员将变速箱荷载设定为,使用MA S T A动力学分析模型,分析变速箱传动系统耦合频率以及振型(如图、图所示).图 载荷工况下变速箱耦合频率图 载荷工况下变速箱频率耦合模态振型 年第 期分析图、图可以发现,该变速箱传动系统低阶频率偏低,研究人员针对这一发现,尝试对齿轮传动系统进行优化设计.变速箱传动系统优化设
14、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.研究人员将齿轮重合度设定为,其计算公式为:()公式()中,表示齿轮面上重合度,表示轴向重合度.其中
15、,与的计算公式为:z(t a na t t a nt)z(t a na t t a nt)()bs i n mn()公式()与公式()中,z代表小齿轮的齿数,z表示大齿轮的齿数,a t为端面小齿轮齿顶圆压力角,a t为端面大齿轮齿顶圆压力角,t则为端面齿轮啮合角,变量b表示齿轮分度圆的螺旋角,mn则为齿轮模数.基于上述三项公式,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;齿轮不跟切;齿顶厚度大于 倍数模值;过渡曲线不干涉
16、;齿顶间隙超过 倍数模值.基于这五种约束条件,研究人员将压力角设定为,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(详见表).表齿轮宏观系数优化结果齿轮副模数齿数螺旋角()压力角()啮合齿宽(mm)变位系数顶高系数顶隙系数第一对输入 输出 第二对输入 输出 第三对输入 输出 第四对输入 输出 分析表可以发现,经过参数优化,四对齿轮副的重合度都得到了相应的提升,齿面荷载波动减低,变速箱传动系统运行更为平稳,振动明显减弱.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.
17、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
18、侧对称,避免齿轮在运行过程中发生位移.研究人员将齿轮的鼓起量设为:CbFmFb yCb,bFb()公式()中,Fm代表齿轮的圆周力,b则为齿轮的宽度,Fb y表示由于空间因素以及弹性变量,导致齿轮在啮合线方向产生的偏差距离极值.Cb代表齿轮的啮合刚度,bF表示齿轮啮合时的有效接触齿宽.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:陶庆,周建星,孙文磊,康金胜工况下齿轮变速箱的低噪声优化方法研究(英文)J机床与液压,():何畅然,贺敬良,何渠高重合度齿轮变速箱动态特性分析J制造业自动化,():焦万铭,马飞,杨耀东,赵欣欣行星齿轮变速箱传动比及效率的计算J机械传动,():王晓云,原思聪,罗丹基于混沌遗传算法的齿轮变速箱优化设计J机械传动,():黄平平,马维金,王俊元,曾志强重载汽车齿轮变速箱振动信号与结构模态特性分析J矿山机械,():
