【文章推荐】基于 Romax 的新能源电动汽车减速器齿轮修形仿真研究

　　新能源汽车减速器齿轮副在传动过程中，齿轮在制造误差、装配误差以及工作过程温度变化的因素影响下无法避免载荷波动、加速度、齿向载荷分布不均匀、啮入啮出冲击现象。这会降低传动精度与承载力，降低齿轮寿命，还会产生不同振型和频率组成的振动与噪声等齿轮NVH问题;从理论上看，提高加工精度和装配精度可以使传动性能有所提高，但是加工制造成本也随之增加，而且效果不一定达到预期。因此，通过齿轮修形来解决以上问题非常有效。针对齿轮传动过程中NVH问题，在齿轮宏观参数设计开发完成后，运用Romax软件进行新能源电驱动系统进行三维建模。针对减速器壳体、差速器壳体、一级从动齿轮轮辐、主减齿圈轮辐等零件，运用simlab软件进行四面体二阶单元网格划分，导出有限元模型，再将有限元模型导入Romax 软件中进行齿轮分析。分别在纯电10%至100%输入扭矩以及再生制动10%至30%输入扭矩工况下对二级齿轮副进行齿轮微观修形仿真分析，并且通过对比分析微观修形前与微观修形后的传递误差、单位 长度载荷分布、最大接触应力等参数，最终评价修形效果，为新能源电动车电驱动系统齿轮箱设计开发提供参考。

      0 引 言
      随着全球汽车保有量的不断上升，汽车尾气对环境的污染、化石能源的供应以及气候恶化等问题受到国际社会的广泛关注。开发新能源汽车已全球的共同挑战，纯电动汽车发展备受关注，世界各主要汽车生产和消费国家都给予很大的重视，使得纯电动汽车市场份额不断增加。纯电动汽车的动力来源由发动机转变为驱动电机，没有原来的发动机噪声掩盖，驱动电机在加速时具有高扭矩、低转速等特征，纯电动汽车减速器的NVH问题就表现出来了，影响了驾驶员的主观感受。减速器作为新能源动力系统传动部件，性能以及可靠性要求非常高。由于纯电动汽车的动力来源于驱动电机，减速器具有高转速、高效率、高可靠性、低成本、高NVH性能等特点。因此，减速器齿轮副进行修形是非常必要的。

      1 新能源电动汽车减速器齿轮架构及动力传递路径
      某新能源电动汽车电驱动系统减速器齿轴由一轴前轴承、一级主动齿轮轴、一轴后轴承、中间轴前轴承、一级从动齿轮、二级主动齿轮、中间轴后轴承、差速器前轴承、差速器紧固螺栓、主减齿圈、差速器总成、差速器后轴承组成，详见图1。电机轴通过花键与一级主动齿轮连接，一级从动齿轮与二级主动齿轮通过花键配合，主减齿圈通过差速器紧固螺栓安装到差速器总成上。扭矩传递路径为：电机轴→ 以及主动齿轮轴→ 以及从动齿轮→二级主动齿轮→ 主减齿圈→ 差速器总成。
      2 齿轮修形原理
      齿廓修形是指沿着齿轮渐开线方向剔除微小的材料，这样可以消除齿轮渐开线方向的偏载和应力集中现象，通常包括齿形鼓形量修形、渐开线斜度修形。

      齿形修形符号定义：沿着渐开线方向，在SAP位置去除材料、齿顶位置保持不变时，渐开线斜度符号为正，反之为负，见图2。
      齿向修形通常包括齿向鼓形量修形、齿向斜度修形。鼓型量修形指沿着齿宽方向中部鼓起、两侧对称地对齿轮表面进行加工修磨，鼓形量修形后齿面载荷分布会更加均匀，传动更平稳，有效降低振动和噪声;齿轮在鼓形量修形后还要进行齿向斜度修形，这样可以补偿载荷变化引起的螺旋角变化，可以进一步减少偏载。因此，齿向斜度修形是根据齿轮副的啮合情况对螺旋角进行一个细微的调整，使载荷分布更加均匀。

      齿向修形符号定义：沿着齿宽方向，在Z轴负方向侧去除材料、Z轴正方向保持不变时， 齿向斜度的符号为正，反之为负，见图3。
      3 新能源电动汽车仿真模型建立
      以某新能源纯电动汽车减速器二级齿轮副为研究对象，进行齿轮副的修形仿真分析，齿轮宏观参数见表1。
      将以上齿轮宏观参数、齿轴尺寸、轴承型号在Ramax中建立减速器模型。齿轴材料为20CrMnTi，弹性模量为2.1×105，泊松比0.29，由于材料库中没有20CrMnTi，因此需自行建立材料。运用SIMLAB软件将壳体、电机轴、差速器壳体、二级主动齿轮轮辐、主减齿圈轮辐进行四面体二阶单元网格划分，并导出有限元模型。差速器材料QT500-7，壳体材料ADC12，需在建立有限元网格模型时定义壳体、差速器材料弹性模量等力学性能参数。电机轴及齿轴的坐标可参照3D模型。从输入轴端看，电机轴顺时针转动为正转方向。功率输入位于电机轴上，功率输出位于差速器壳体上，Romax模型见图4。       4 修形方法
      在完成齿轴系统Romax建模后，结合电机峰值扭矩以及整车使用工况进行修形载荷谱确定，可将车辆工况分为纯电工况及再生制动工况，载荷谱见表2。在纯电工况中，根据电机参数，电机峰值扭矩为320N·m，最小扭矩为32N·m，以电机峰值扭矩的10%为步长逐步递增至电机峰值扭矩。再生制动车工况：最小扭矩为32N·m，以电机峰值扭矩的10%为步长逐步递增至电机峰值扭矩的40%。

      从目前已有的研究来看，微观修形参数的确定并没有统一的规定，经验算式计算较为快捷但有一定的局限性，可采用 Romax V2遗传算法，在软件内设置渐开线鼓形量、渐开线斜度、螺旋线鼓形量、螺旋线斜度。按照表2载荷谱分别设置纯电工况和再生制动工况。最后，以传动误差峰值、单位长度载荷以及最大接触应力为方案优化目标，分别设置传递误差峰值、齿面峰值载荷、最大接触应力参数以及权重设置后开始运行，选取所有方案中名义得分最低的一组方案，即为最优修形结果。

      出于保证加工进度考虑， 将遗传算法得到的最优修形参数进一步取整处理， 得到最终的优化数据见表3。

      5 修形仿真前后对比分析
      通过对二级齿轮副修形进行仿真分析，得到修形参数，选择传递误差、载荷分布、最大接触应力进行分析;齿轮在传递扭矩过程中，受到齿轮变形和齿轮误差的影响，齿轮的传递误差是随时间与位置波动的。波动的传递误差会作为一种动态激励导致齿轮上的载荷波动，从而产生振动和噪声。齿面载荷不均匀会使齿轮传动过程中出现偏载，造成传动不平稳，形成振动和噪声。最大接触应力是齿轮强度的体现，一般不大于2400MPa。

      传递误差:图5(a)～(d)为修形前、后纯电40% 、80%工况、再生制动20%、40%工况递误差波动情况，从波动曲线可以看出，修形后沿啮合线方向上的位移有一定的降低，而且波动量有所降低，且曲线变得更加平滑、规律性更加强，齿轮传动过程中更加平稳。图5(e)为修形前后各工况扭矩下传递误差峰峰值变化情况，修形前后各工况下传递误差峰峰值均有不同程度的降低，纯电30%～80%工况最为显著，纯电30%～80%工况为该减速器的常用工况，见图5(e)。根据经验，传递误差≤1μm，该修形方案满足技术要求，达到预期的效果。
      载荷分布:修形前后齿面接触斑分布见图6。其中，横轴代表齿面轴向距离，单位为mm;纵轴表示齿轮滚动角度，单位为(°)。接触斑云图呈螺旋状分布，由螺旋外侧向内侧，应力由小逐渐增大;从图6可以看出，齿轮修形后各工况接触应力集中分布由齿轮一侧转移至齿面中央，齿轮的偏载得到了改善，对齿轮传动过程的NVH性能有较好的影响。

      最大接触应力:图7(a)、(b)分别为纯电100%工况修形前、后齿轮最大接触应力云图，修形后齿轮最大接触应力由2107MPa降低至1842MPa。图7(c)、(d)分别为再生制动40%工况修形前、后齿轮最大接触应力云图，修形后最大接触应力由1425MPa降低至1354MPa。同样，由接触应力云图可以看出，修形前纯电工况、再生制动工况均存在偏载现象。通过修形，齿轮的接触应力得到了进一步均匀分布，接触区域向齿面正中央移动，偏载现象基本消除，达到修形目标。
      6 结 语
      通过对齿轮微观参数修形，传递误差有所降低，纯电30%～80%工况最为显著，滚动角沿啮合线的位移曲线更加平滑。减少齿轮啮合时产生的冲击和振动，进而降低齿轮噪声，达到降噪目的。各工况接触应力由齿轮一侧转移至齿面正中央，有效改善齿面偏载现象。最大接触应力也有所降低。从修形结果可以看出，修形后齿轮啮合更加平稳，振动减少、齿轮可靠性得到提高，NVH性能进一步提升。