新能源汽車減速器齒輪副在傳動(dòng)過程中，齒輪在制造誤差、裝配誤差以及工作過程溫度變化的因素影響下無法避免載荷波動(dòng)、加速度、齒向載荷分布不均勻、嚙入嚙出沖擊現(xiàn)象。這會(huì)降低傳動(dòng)精度與承載力，降低齒輪壽命，還會(huì)產(chǎn)生不同振型和頻率組成的振動(dòng)與噪聲等齒輪NVH問題;從理論上看，提高加工精度和裝配精度可以使傳動(dòng)性能有所提高，但是加工制造成本也隨之增加，而且效果不一定達(dá)到預(yù)期。因此，通過齒輪修形來解決以上問題非常有效。針對(duì)齒輪傳動(dòng)過程中NVH問題，在齒輪宏觀參數(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，運(yùn)用Romax軟件進(jìn)行新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模。針對(duì)減速器殼體、差速器殼體、一級(jí)從動(dòng)齒輪輪輻、主減齒圈輪輻等零件，運(yùn)用simlab軟件進(jìn)行四面體二階單元網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出有限元模型，再將有限元模型導(dǎo)入Romax 軟件中進(jìn)行齒輪分析。分別在純電10%至100%輸入扭矩以及再生制動(dòng)10%至30%輸入扭矩工況下對(duì)二級(jí)齒輪副進(jìn)行齒輪微觀修形仿真分析，并且通過對(duì)比分析微觀修形前與微觀修形后的傳遞誤差、單位 長(zhǎng)度載荷分布、最大接觸應(yīng)力等參數(shù)，最終評(píng)價(jià)修形效果，為新能源電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

      0 引 言
      隨著全球汽車保有量的不斷上升，汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染、化石能源的供應(yīng)以及氣候惡化等問題受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。開發(fā)新能源汽車已全球的共同挑戰(zhàn)，純電動(dòng)汽車發(fā)展備受關(guān)注，世界各主要汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家都給予很大的重視，使得純電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額不斷增加。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)電機(jī)，沒有原來的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在加速時(shí)具有高扭矩、低轉(zhuǎn)速等特征，純電動(dòng)汽車減速器的NVH問題就表現(xiàn)出來了，影響了駕駛員的主觀感受。減速器作為新能源動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)部件，性能以及可靠性要求非常高。由于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速器具有高轉(zhuǎn)速、高效率、高可靠性、低成本、高NVH性能等特點(diǎn)。因此，減速器齒輪副進(jìn)行修形是非常必要的。

      1 新能源電動(dòng)汽車減速器齒輪架構(gòu)及動(dòng)力傳遞路徑
      某新能源電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器齒軸由一軸前軸承、一級(jí)主動(dòng)齒輪軸、一軸后軸承、中間軸前軸承、一級(jí)從動(dòng)齒輪、二級(jí)主動(dòng)齒輪、中間軸后軸承、差速器前軸承、差速器緊固螺栓、主減齒圈、差速器總成、差速器后軸承組成，詳見圖1。電機(jī)軸通過花鍵與一級(jí)主動(dòng)齒輪連接，一級(jí)從動(dòng)齒輪與二級(jí)主動(dòng)齒輪通過花鍵配合，主減齒圈通過差速器緊固螺栓安裝到差速器總成上。扭矩傳遞路徑為：電機(jī)軸→ 以及主動(dòng)齒輪軸→ 以及從動(dòng)齒輪→二級(jí)主動(dòng)齒輪→ 主減齒圈→ 差速器總成。
      2 齒輪修形原理
      齒廓修形是指沿著齒輪漸開線方向剔除微小的材料，這樣可以消除齒輪漸開線方向的偏載和應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常包括齒形鼓形量修形、漸開線斜度修形。

      齒形修形符號(hào)定義：沿著漸開線方向，在SAP位置去除材料、齒頂位置保持不變時(shí)，漸開線斜度符號(hào)為正，反之為負(fù)，見圖2。
      齒向修形通常包括齒向鼓形量修形、齒向斜度修形。鼓型量修形指沿著齒寬方向中部鼓起、兩側(cè)對(duì)稱地對(duì)齒輪表面進(jìn)行加工修磨，鼓形量修形后齒面載荷分布會(huì)更加均勻，傳動(dòng)更平穩(wěn)，有效降低振動(dòng)和噪聲;齒輪在鼓形量修形后還要進(jìn)行齒向斜度修形，這樣可以補(bǔ)償載荷變化引起的螺旋角變化，可以進(jìn)一步減少偏載。因此，齒向斜度修形是根據(jù)齒輪副的嚙合情況對(duì)螺旋角進(jìn)行一個(gè)細(xì)微的調(diào)整，使載荷分布更加均勻。

      齒向修形符號(hào)定義：沿著齒寬方向，在Z軸負(fù)方向側(cè)去除材料、Z軸正方向保持不變時(shí)， 齒向斜度的符號(hào)為正，反之為負(fù)，見圖3。
      3 新能源電動(dòng)汽車仿真模型建立
      以某新能源純電動(dòng)汽車減速器二級(jí)齒輪副為研究對(duì)象，進(jìn)行齒輪副的修形仿真分析，齒輪宏觀參數(shù)見表1。
      將以上齒輪宏觀參數(shù)、齒軸尺寸、軸承型號(hào)在Ramax中建立減速器模型。齒軸材料為20CrMnTi，彈性模量為2.1×105，泊松比0.29，由于材料庫中沒有20CrMnTi，因此需自行建立材料。運(yùn)用SIMLAB軟件將殼體、電機(jī)軸、差速器殼體、二級(jí)主動(dòng)齒輪輪輻、主減齒圈輪輻進(jìn)行四面體二階單元網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)出有限元模型。差速器材料QT500-7，殼體材料ADC12，需在建立有限元網(wǎng)格模型時(shí)定義殼體、差速器材料彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)。電機(jī)軸及齒軸的坐標(biāo)可參照3D模型。從輸入軸端看，電機(jī)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正轉(zhuǎn)方向。功率輸入位于電機(jī)軸上，功率輸出位于差速器殼體上，Romax模型見圖4。       4 修形方法
      在完成齒軸系統(tǒng)Romax建模后，結(jié)合電機(jī)峰值扭矩以及整車使用工況進(jìn)行修形載荷譜確定，可將車輛工況分為純電工況及再生制動(dòng)工況，載荷譜見表2。在純電工況中，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，電機(jī)峰值扭矩為320N·m，最小扭矩為32N·m，以電機(jī)峰值扭矩的10%為步長(zhǎng)逐步遞增至電機(jī)峰值扭矩。再生制動(dòng)車工況：最小扭矩為32N·m，以電機(jī)峰值扭矩的10%為步長(zhǎng)逐步遞增至電機(jī)峰值扭矩的40%。

      從目前已有的研究來看，微觀修形參數(shù)的確定并沒有統(tǒng)一的規(guī)定，經(jīng)驗(yàn)算式計(jì)算較為快捷但有一定的局限性，可采用 Romax V2遺傳算法，在軟件內(nèi)設(shè)置漸開線鼓形量、漸開線斜度、螺旋線鼓形量、螺旋線斜度。按照表2載荷譜分別設(shè)置純電工況和再生制動(dòng)工況。最后，以傳動(dòng)誤差峰值、單位長(zhǎng)度載荷以及最大接觸應(yīng)力為方案優(yōu)化目標(biāo)，分別設(shè)置傳遞誤差峰值、齒面峰值載荷、最大接觸應(yīng)力參數(shù)以及權(quán)重設(shè)置后開始運(yùn)行，選取所有方案中名義得分最低的一組方案，即為最優(yōu)修形結(jié)果。

      出于保證加工進(jìn)度考慮， 將遺傳算法得到的最優(yōu)修形參數(shù)進(jìn)一步取整處理， 得到最終的優(yōu)化數(shù)據(jù)見表3。

      5 修形仿真前后對(duì)比分析
      通過對(duì)二級(jí)齒輪副修形進(jìn)行仿真分析，得到修形參數(shù)，選擇傳遞誤差、載荷分布、最大接觸應(yīng)力進(jìn)行分析;齒輪在傳遞扭矩過程中，受到齒輪變形和齒輪誤差的影響，齒輪的傳遞誤差是隨時(shí)間與位置波動(dòng)的。波動(dòng)的傳遞誤差會(huì)作為一種動(dòng)態(tài)激勵(lì)導(dǎo)致齒輪上的載荷波動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。齒面載荷不均勻會(huì)使齒輪傳動(dòng)過程中出現(xiàn)偏載，造成傳動(dòng)不平穩(wěn)，形成振動(dòng)和噪聲。最大接觸應(yīng)力是齒輪強(qiáng)度的體現(xiàn)，一般不大于2400MPa。

      傳遞誤差:圖5(a)～(d)為修形前、后純電40% 、80%工況、再生制動(dòng)20%、40%工況遞誤差波動(dòng)情況，從波動(dòng)曲線可以看出，修形后沿嚙合線方向上的位移有一定的降低，而且波動(dòng)量有所降低，且曲線變得更加平滑、規(guī)律性更加強(qiáng)，齒輪傳動(dòng)過程中更加平穩(wěn)。圖5(e)為修形前后各工況扭矩下傳遞誤差峰峰值變化情況，修形前后各工況下傳遞誤差峰峰值均有不同程度的降低，純電30%～80%工況最為顯著，純電30%～80%工況為該減速器的常用工況，見圖5(e)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，傳遞誤差≤1μm，該修形方案滿足技術(shù)要求，達(dá)到預(yù)期的效果。
      載荷分布:修形前后齒面接觸斑分布見圖6。其中，橫軸代表齒面軸向距離，單位為mm;縱軸表示齒輪滾動(dòng)角度，單位為(°)。接觸斑云圖呈螺旋狀分布，由螺旋外側(cè)向內(nèi)側(cè)，應(yīng)力由小逐漸增大;從圖6可以看出，齒輪修形后各工況接觸應(yīng)力集中分布由齒輪一側(cè)轉(zhuǎn)移至齒面中央，齒輪的偏載得到了改善，對(duì)齒輪傳動(dòng)過程的NVH性能有較好的影響。

      最大接觸應(yīng)力:圖7(a)、(b)分別為純電100%工況修形前、后齒輪最大接觸應(yīng)力云圖，修形后齒輪最大接觸應(yīng)力由2107MPa降低至1842MPa。圖7(c)、(d)分別為再生制動(dòng)40%工況修形前、后齒輪最大接觸應(yīng)力云圖，修形后最大接觸應(yīng)力由1425MPa降低至1354MPa。同樣，由接觸應(yīng)力云圖可以看出，修形前純電工況、再生制動(dòng)工況均存在偏載現(xiàn)象。通過修形，齒輪的接觸應(yīng)力得到了進(jìn)一步均勻分布，接觸區(qū)域向齒面正中央移動(dòng)，偏載現(xiàn)象基本消除，達(dá)到修形目標(biāo)。
      6 結(jié) 語
      通過對(duì)齒輪微觀參數(shù)修形，傳遞誤差有所降低，純電30%～80%工況最為顯著，滾動(dòng)角沿嚙合線的位移曲線更加平滑。減少齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，進(jìn)而降低齒輪噪聲，達(dá)到降噪目的。各工況接觸應(yīng)力由齒輪一側(cè)轉(zhuǎn)移至齒面正中央，有效改善齒面偏載現(xiàn)象。最大接觸應(yīng)力也有所降低。從修形結(jié)果可以看出，修形后齒輪嚙合更加平穩(wěn)，振動(dòng)減少、齒輪可靠性得到提高，NVH性能進(jìn)一步提升。