基于接触斑点和微观修形的混合动力系统齿轮啸叫研究
1 引言
齿轮啸叫噪声是汽车驱动系统的主要噪声源之一，对整车声品质有重要影响。本文研究的混合动力系统将驱动电机、发电机、传动系统离合器集成于一体，具有纯电模式、增程模式、混动模式和制动能量回收等多种工作模式。在样机测试时发现，某些工况存在一定齿轮啸叫噪声。在内燃机不参与工作的某些模式下，由于没有内燃机的声音掩盖，齿轮啸叫噪声会变得更加明显。目前关于传统汽车变速器、纯电动汽车减速箱和风电齿轮箱的齿轮啸叫和微观修形研究较多，但关于混合动力汽车的齿轮啸叫研究报道较少。本文针对混合动力系统的齿轮接触斑点进行了试验和仿真的多工况全面对标，用于分析齿轮噪声产生原因，并指导微观修形分析。2 齿轮噪声和微观修形相关理论
2.1 齿轮噪声产生机理
齿轮噪声是由于齿轮系统的动态激励引起的，包括外部激励和内部激励。外部激励包括原动机(发动机或电机等)和负载的转矩波动、转子动不平衡、联接花键间隙、几何偏心以及系统中有关零部件的激励。内部激励主要是时变啮合刚度、传递误差和啮入啮出冲击等因素引起的。2.2 齿轮微观修形原理
对齿轮进行合理地微观修形，可减小传递误差和啮合冲击，显著改善齿轮的啮合过程，从而使传动更加平稳，减小齿轮噪声。齿轮修形主要分为：齿廓修形：主要包括齿顶和齿根修缘、齿廓压力角修形和齿廓鼓形修形等，目的是减小齿轮啮入啮出冲击并使接触斑点位于齿廓中间。螺旋线修形：包括齿端修薄、螺旋角修形和螺旋线修鼓等，目的是消除齿轮轴受载产生的弯曲和扭转变形而产生的偏载和应力集中。齿轮微观修形量可根据理论计算、经验公式、有限元法等方式确定，如螺旋线鼓形量推荐为 Δ≈f Hβ +(5∼10)μm，其中 fHβ Hβ为螺旋线倾斜偏差。3 噪声测试与源识别
对样机进行主观声音评价发现，在制动能量回收工况存在较大的齿轮啸叫噪声。为识别噪声源，进行了齿轮啸叫噪声测试和阶次分析。测试结果显示，第21阶、第42阶噪声较明显。该驱动系统的第一级减速齿轮副的小齿轮齿数为21，故可判断第21阶、第42阶噪声是由一级齿轮副引起的。结合主观评价结果和测试结果，判定一级齿轮副为主要噪声源。4 接触斑点仿真与测试对标
4.1 仿真模型建立
驱动系统的分析模型在齿轮分析软件Masta中创建，包含电机、齿轮、轴、轴承，差速器壳体、总成壳体等部件，零件的尺寸、参数和装配位置保持与设计图纸一致。总成壳体的刚度在有限元分析软件中进行计算，考虑了壳体的柔性对系统变形的影响，保证了齿轮接触斑点和传动误差分析的准确性。4.2 接触斑点对标结果
齿轮接触情况直接影响齿轮的振动噪声和承载能力。受制造误差、装配误差及受载变形的影响，轮齿接触会偏离理想状态。严重偏载会导致齿轮箱振动噪声和齿轮早期损坏。通过接触斑点试验和仿真分析对比，发现在纯电驱动模式50%峰值转矩工况下，一级和二级齿轮副的测试接触斑点分布较均匀，接触面积大于90%，仿真结果与测试结果吻合良好。而在30N·m制动能量回收工况下，齿轮副出现明显偏载情况，仿真分析准确反映了这种偏载，与测试结果非常吻合。5 齿轮微观修形优化
基于噪声测试和接触斑点测试结果，选择一级小齿轮进行微观修形分析，修形工况选取制动能量回收工况。修形参数包括：螺旋线鼓形量修形、螺旋线螺旋角修形；齿廓鼓形量修形、齿廓压力角修形。以螺旋线鼓形量优化为例，随着鼓形量增大，传动误差和最大接触压力先减小后增大。当螺旋线鼓形量为3μm时，传动误差最小。最终优化参数为：螺旋线鼓形量修形3μm、螺旋角修形-24μm、齿廓鼓形量修形5μm、压力角修形-6μm。优化后齿面接触斑点更均匀，消除了偏载问题。在60N·m制动能量回收工况，传动误差峰-峰值从1.98μm降至0.14μm。优化后齿轮副传动误差在低、中、高转矩段都较优，且在10~80N·m转矩段处于较低水平。6 轴承动态响应分析
齿轮系统的动力学方程为：M X ¨ +C X ˙ +KX=F。传动误差经傅里叶变换后，修形前后的1阶传动误差幅值分别为0.86μm和0.055μm，修形后幅值明显减小。传动误差激励导致动态啮合力 Fm=ET⋅D，其中 ETT为传动误差，D=(C+C)^(−1)为动态啮合刚度。动态啮合力通过轴传递到轴承，产生齿轮噪声。计算表明，优化后的轴承动态响应力大幅下降，最大值由314N减小至20.2N，齿轮啸叫噪声明显降低。7 齿轮噪声测试验证
根据仿真分析的修形参数制作齿轮样件，装机进行噪声测试。测试结果显示，修形后的第21阶噪声明显降低，验证了微观修形分析方法对降低齿轮啸叫噪声的有效性。结论
通过接触斑点及微观修形研究，结合仿真与试验对标，证明了仿真模型的准确性，基于该模型进行的接触斑点及传递误差优化能有效降低齿轮啸叫噪声。主要结论包括：1.
通过主观评价和噪声阶次分析可锁定齿轮系统主要噪声源；
2.
接触斑点测试显示制动能量回收工况存在明显偏载问题；
3.
4.
5.
本研究为混合动力系统齿轮啸叫问题的解决提供了有效方法，对提高整车声品质具有重要工程价值。【免责声明】本文来自网络或本公众 号原创，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注。
