某純電動(dòng)車集成電驅(qū)傳動(dòng)齒輪NVH性能優(yōu)化

黃秀成，廖根旺，尹文輝

(1.華南理工大學(xué),廣東廣州 510641;2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

近年來(lái)隨著三電技術(shù)進(jìn)步以及禁售燃油車政策的推動(dòng)，純電動(dòng)車已成為各大車企的研發(fā)重點(diǎn)，純電動(dòng)車的全球銷售量也在不斷地增加。作為純電動(dòng)車核心部件之一的電驅(qū)系統(tǒng)，其主要功能為純電動(dòng)汽車提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛行駛，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器三大子部件集成化而成。近年來(lái)隨著用戶對(duì)汽車特別是純電動(dòng)車駕乘體驗(yàn)的感知度逐步提升，相關(guān)法規(guī)及消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)車的NVH性能(Noise噪聲、Vibration振動(dòng)、Harshness聲振粗糙度)要求也變得越來(lái)越高，為達(dá)成日趨嚴(yán)格的整車NVH性能目標(biāo)，這就要求不斷地降低純電動(dòng)車集成電驅(qū)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和振動(dòng)。在整個(gè)集成電驅(qū)系統(tǒng)中，電機(jī)的電磁噪聲和電機(jī)控制器的開關(guān)噪聲相比減速箱高速傳動(dòng)齒輪的噪聲較低且相對(duì)容易控制，因此，為了優(yōu)化集成電驅(qū)的NVH性能，進(jìn)一步降低齒輪傳動(dòng)的噪聲將變得十分關(guān)鍵。

某純電動(dòng)車集成電驅(qū)在前期開發(fā)階段的NVH性能測(cè)試驗(yàn)證中，出現(xiàn)了集成電驅(qū)噪聲十分明顯的不良現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)集成電驅(qū)進(jìn)行NVH性能客觀測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明該噪聲主要為集成電驅(qū)的傳動(dòng)齒輪產(chǎn)生的嘯叫音，而通過(guò)優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)提高齒輪傳動(dòng)重合度和降低傳遞誤差，已成為改善齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性，降低齒輪傳動(dòng)嘯叫噪聲的關(guān)鍵優(yōu)化方法之一[1-3]。

本文作者在分析傳動(dòng)齒輪噪聲的產(chǎn)生機(jī)制后，根據(jù)原設(shè)計(jì)狀態(tài)的齒輪宏觀參數(shù)進(jìn)行重合度計(jì)算并通過(guò)齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化來(lái)提高齒輪的重合度，同時(shí)使用MASTA軟件對(duì)優(yōu)化后的齒輪宏觀參數(shù)的傳遞誤差進(jìn)行分析，從而得出最優(yōu)的齒輪重合度及傳遞誤差。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)齒輪的宏觀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，傳動(dòng)齒輪的嘯叫音明顯下降，最終也順利通過(guò)了整車的NVH性能測(cè)試。

1 傳動(dòng)齒輪NVH性能概述

1.1 噪聲的特征和分類

電驅(qū)的傳動(dòng)齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由其內(nèi)部激勵(lì)引起的中、高頻噪聲比較突出，通常可以分為如下兩種類別：

(1)敲擊噪聲

由于非工作齒輪的側(cè)隙和輸入轉(zhuǎn)速的波動(dòng)導(dǎo)致的。當(dāng)角加速度足夠大時(shí)，使非工作齒輪上的慣性扭矩大于阻力矩，敲擊噪聲屬于寬頻噪聲。

敲擊通常發(fā)生在驅(qū)動(dòng)電機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，齒輪的敲擊噪聲就會(huì)被其他的噪聲所覆蓋。

(2)嘯叫噪聲

由于齒輪的傳遞誤差導(dǎo)致，有特定的音調(diào)，與齒輪的制造、裝配以及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、齒輪的宏觀參數(shù)和齒面修形等因素相關(guān)。

齒輪嘯叫噪聲與傳動(dòng)比及嚙合頻率相關(guān)，即有固定的階次。

因目前純電動(dòng)車的集成電驅(qū)通常采用固定速比的2級(jí)斜齒圓柱齒輪實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)，實(shí)際上無(wú)空套齒輪等非工作齒輪存在，同時(shí)隨著電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)度，現(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)已經(jīng)得到了很好地控制，因此，純電動(dòng)車集成電驅(qū)傳動(dòng)齒輪的NVH問題主要為齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的嘯叫噪聲。

1.2 齒輪嘯叫噪聲產(chǎn)生機(jī)制

齒輪嘯叫噪聲是齒輪箱彈性系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)載荷作用下產(chǎn)生的響應(yīng)，其中動(dòng)態(tài)激勵(lì)可以分為內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)(圖1)：

圖1 集成電驅(qū)傳動(dòng)齒輪嘯叫產(chǎn)生和傳遞機(jī)制

(1)內(nèi)部激勵(lì)

齒輪副在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷(主因)，動(dòng)態(tài)載荷主要為齒輪嚙合過(guò)程產(chǎn)生的嚙合沖擊。其產(chǎn)生的機(jī)制為齒距誤差或像軸與齒輪之間的同心度這樣的幾何誤差以及載荷作用下由于齒輪、軸或外殼的變形而引起的偏離齒輪定律的偏差共同作用的結(jié)果。然而，為避免這些嚙合沖擊進(jìn)行的齒輪修形校正僅僅對(duì)某一載荷范圍才會(huì)有效。

(2)外部激勵(lì)

齒輪軸動(dòng)不平衡，電機(jī)扭矩波動(dòng)、軸承時(shí)變剛度等產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。該動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的起因?yàn)檩嘄X剛性隨嚙合位置而變化，該種激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)的大小取決于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何形狀和轉(zhuǎn)速。如果激勵(lì)頻率(轉(zhuǎn)速乘以齒數(shù)和諧波)接近于齒輪對(duì)的自振頻率，共振便會(huì)產(chǎn)生特別大的振幅，因而也就會(huì)產(chǎn)生特別大的噪聲。

2 傳動(dòng)齒輪嘯叫噪聲實(shí)車測(cè)試

某純電動(dòng)車在項(xiàng)目開發(fā)前期對(duì)工程樣車進(jìn)行整車NVH性能主觀評(píng)價(jià)時(shí)，在中油門或全油門加速行駛工況下，當(dāng)車速在20～80 km/h區(qū)間段時(shí)，從駕駛艙內(nèi)可以主觀感受到明顯的齒輪嘯叫噪聲。

對(duì)集成電驅(qū)NVH性能進(jìn)行整車搭載客觀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示全油門工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～8 000 r/min區(qū)間段時(shí)，一級(jí)減速齒輪17階(1倍頻)以及2級(jí)減速齒輪10.7階(2倍頻)對(duì)齒輪傳動(dòng)的嘯叫噪聲貢獻(xiàn)明顯，車內(nèi)可感知明顯的加速轟鳴，需要其NVH問題進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 全油門加速工況集成電驅(qū)近場(chǎng)噪聲分析頻譜圖

3 傳動(dòng)齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化及分析

3.1 重合度設(shè)計(jì)優(yōu)化

齒輪傳動(dòng)的重合度ε，實(shí)質(zhì)上是同時(shí)參與嚙合輪齒對(duì)數(shù)的多或少。單就重合度而言，增大重合度可以減小單對(duì)輪齒的載荷，能減小齒輪嚙入和嚙出時(shí)的載荷沖擊，對(duì)降低齒輪噪聲有利[4]。

傳動(dòng)齒輪的重合度與嚙合齒輪對(duì)的宏觀參數(shù)直接相關(guān)，目前純電車集成電驅(qū)的傳動(dòng)齒輪基本采用斜齒圓柱齒輪進(jìn)行減速傳動(dòng)，其總的重合度εγ由端面重合度εα和軸向重合度εβ相加得到，其相關(guān)的計(jì)算公式如式(1)—(3)所示[5]：

εγ=εα+εβ

(1)

(2)

(3)

根據(jù)某純電動(dòng)車項(xiàng)目開發(fā)前期確定的集成電驅(qū)傳動(dòng)齒輪的宏觀參數(shù)分別進(jìn)行一級(jí)/二級(jí)齒輪傳動(dòng)副的重合度計(jì)算，得出兩級(jí)齒輪傳動(dòng)副軸向/端面重合度。從計(jì)算結(jié)果可以看出兩級(jí)齒輪傳動(dòng)副都存在端面重合度εα偏小的問題，根據(jù)端面重合度計(jì)算公式(3)并結(jié)合傳動(dòng)齒輪的疲勞耐久性能、布置空間等因素，對(duì)齒輪宏觀參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化，優(yōu)化前、后齒輪的宏觀參數(shù)及重合度計(jì)算結(jié)果如表1所示，從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，兩級(jí)齒輪副的端面重合度都得到了明顯的提高。

表1 優(yōu)化前后齒輪宏觀參數(shù)及重合度計(jì)算結(jié)果

3.2 傳遞誤差分析

齒輪傳遞誤差對(duì)齒輪使用性能及使用壽命起著決定性的作用,尤其反映在齒輪使用過(guò)程中的NVH表現(xiàn)上(6)，文中使用MASTA仿真分析軟件對(duì)宏觀參數(shù)優(yōu)化前、后的一級(jí)和二級(jí)傳動(dòng)齒輪加速工況下的嚙合傳遞誤差進(jìn)行仿真分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示，可以看出，通過(guò)優(yōu)化齒輪的宏觀參數(shù)以后，傳動(dòng)齒輪在中、大油門加速工況下，也即中、大扭矩加速工況下齒輪的傳遞誤差明顯下降。

圖3 一級(jí)傳動(dòng)齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化前后傳遞誤差分析結(jié)果

圖4 二級(jí)傳動(dòng)齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化前后傳遞誤差分析結(jié)果

3.3 優(yōu)化前后驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

對(duì)齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化后的集成電驅(qū)進(jìn)行裝車主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明在中、大油門加速工況下，2 000～8 000 r/min區(qū)間段齒輪嘯叫問題明顯改善，整體水平優(yōu)于標(biāo)桿車型。集成電驅(qū)近場(chǎng)噪聲客觀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，根據(jù)以下的客觀測(cè)試結(jié)果，可以明確一級(jí)傳動(dòng)齒輪的1倍頻和2倍頻在全油門工況下2 000～8 000 r/min區(qū)間段的齒輪嘯叫噪聲明顯下降，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 全油門加速工況集成電驅(qū)近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以某純電動(dòng)車集成電驅(qū)NVH性能優(yōu)化改善為目的，通過(guò)對(duì)集成電驅(qū)的傳動(dòng)齒輪噪聲機(jī)制研究分析，指出通過(guò)宏觀參數(shù)優(yōu)化以提高重合度是優(yōu)化傳動(dòng)齒輪NVH性能的重要途徑，利用MASTA仿真軟件對(duì)優(yōu)化宏觀參數(shù)的方案進(jìn)行傳遞誤差分析，進(jìn)一步分析重合度優(yōu)化方案的有效性。最后，通過(guò)實(shí)車測(cè)試表明優(yōu)化傳動(dòng)齒輪重合度降低傳動(dòng)誤差后，相關(guān)工況下集成電驅(qū)的齒輪嘯叫噪聲明顯改善，為純電動(dòng)車集成電驅(qū)傳動(dòng)齒輪NVH性能的持續(xù)提升提供了很好的設(shè)計(jì)參考，對(duì)工程實(shí)踐和理論研究具有重要意義。