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        基于細(xì)高齒的電動汽車減速器設(shè)計研究

        2021-06-28 09:07:24王樹山劉紅國楊寶才
        汽車零部件 2021年6期
        關(guān)鍵詞:齒面減速器重合

        王樹山, 劉紅國 ,楊寶才

        (中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 ,江蘇常州 213011)

        0 引言

        電動汽車通過減速器將驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給車輪,隨著車輛動力性能的不斷提升,減速器的輸入轉(zhuǎn)速和承受的載荷也越來越高,目前有的電驅(qū)動減速器最高輸入轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過16 000 r/min。同時,電動汽車減速器集成化、輕量化的發(fā)展趨勢也對其可靠性和NVH性能提出了更高要求。

        常規(guī)圓柱齒輪參數(shù)設(shè)計按照《機(jī)械設(shè)計手冊》推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,但是這些方法已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代電動汽車減速器的設(shè)計要求。通過采用細(xì)高齒技術(shù)方案,優(yōu)化齒輪齒廓參數(shù),可以增加齒輪嚙合重合度,從而提高齒輪承載能力和使用壽命,實(shí)現(xiàn)減振降噪、降低成本的目的。朱延波[1]針對圓柱蝸桿減速器產(chǎn)生振動噪聲的機(jī)制,提出合理選擇設(shè)計參數(shù)、提高嚙合精度、減小動載荷等降低齒輪應(yīng)力值和彈性變形;莊中[2]介紹了通過小模數(shù)、小壓力角、高全齒高來加大端面重合度、降低變速器齒輪嚙合噪聲的技術(shù);徐康等人[3]通過齒輪修形提高嚙合重合度,改善了輪邊減速器的噪聲振動;張林[4]分析了細(xì)高齒的嚙合特性,提出了細(xì)高齒齒輪的優(yōu)化設(shè)計方法;焦傳梅[5]在新能源汽車后橋減速器開發(fā)中,引入細(xì)高齒設(shè)計思路,完成了產(chǎn)品設(shè)計和驗(yàn)證。

        本文作者針對某款電動汽車減速器,基于細(xì)高齒齒輪設(shè)計方法,完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案、齒形參數(shù)、計算校核和試驗(yàn)驗(yàn)證研究內(nèi)容,探索了細(xì)高齒在電驅(qū)動減速器中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

        1 細(xì)高齒特性

        式中:Z1、Z2為相互嚙合小、大齒輪齒數(shù),αa1、αa2為齒頂圓壓力角,α′為齒輪嚙合角。

        可以看出,端面重合度的主要因素有齒數(shù)、壓力角和齒頂圓壓力角(主要由齒頂高系數(shù)和變位系數(shù)決定)。

        理論研究表明:齒輪重合度增大時,傳動系統(tǒng)中的嚙合點(diǎn)會越來越接近小齒輪的干涉點(diǎn),增加齒面接觸應(yīng)力,從而提高齒面強(qiáng)度;同時,當(dāng)齒頂高系數(shù)增加到1.3時,齒根彎曲強(qiáng)度增加到標(biāo)準(zhǔn)齒輪的1.3~1.5倍;當(dāng)齒輪重合度在2 左右時,齒輪嚙合噪聲最小。

        2 技術(shù)方案

        2.1 技術(shù)路線

        如圖1所示,電動汽車用減速器開發(fā)過程主要分為設(shè)計輸入、方案設(shè)計、計算校核、樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證等階段。

        圖1 電驅(qū)動減速器設(shè)計技術(shù)路線

        2.2 結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)設(shè)計

        該電驅(qū)動減速器設(shè)計最高輸入轉(zhuǎn)速12 000 r/min,峰值功率290 kW,齒輪轉(zhuǎn)速高、承載大;要求減速器噪聲低,傳動平穩(wěn),安全可靠?;谝陨显O(shè)計要求,必須充分考慮高速大載荷齒輪傳動的特點(diǎn),保證齒輪強(qiáng)度的前提下兼顧減速器體積小、質(zhì)量輕的約束條件。為了提高齒輪的承載能力和壽命,減速器齒輪采用低碳合金鋼20CrMo滲碳淬火加磨齒工藝。如圖2所示,減速器為兩級平行軸斜齒輪傳動結(jié)構(gòu),輸入軸花鍵與電機(jī)連接,動力通過差速器與半軸連接傳遞給車輪。

        圖2 減速器結(jié)構(gòu)方案

        表1為減速器齒輪參數(shù)對比。從表1中可以看出,采用細(xì)高齒的減速器兩級齒輪的齒頂高系數(shù)均不小于1.4,超過標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)40%;端面重合度都超過2,滿足細(xì)高齒設(shè)計方法。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3480—1997附錄A對齒輪最小安全系數(shù)參考值的規(guī)定,選取較高可靠度的使用要求,其中SFmin=1.60,SHmin=1.25~1.30。經(jīng)過校核,兩級齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全。

        表1 減速器齒輪參數(shù)對比

        而且,與標(biāo)準(zhǔn)齒對比發(fā)現(xiàn),提高齒頂高系數(shù)后,齒輪的端面重合度增大,齒面接觸和齒根彎曲安全系數(shù)都得到了提高。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 試驗(yàn)過程

        減速器采用三電機(jī)加載試驗(yàn)臺架開展耐久疲勞試驗(yàn)和噪聲測試,減速器水平放置,輸入端與驅(qū)動電機(jī)連接,輸出端通過半軸與兩側(cè)加載電機(jī)連接。耐久疲勞試驗(yàn)工況設(shè)置參考QC/T 1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術(shù)條件》,分為高速低扭和低速高扭兩種工況,時間總計430 h。

        噪聲測試時,減速器置于半消音室中,麥克風(fēng)布置在減速器前、后、上、左4個方向,距離減速器殼體表面1 m位置處。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),選取運(yùn)行工況為輸入轉(zhuǎn)速6 000 r/min,輸入扭矩116 N·m。

        整個減速器試驗(yàn)過程如圖3所示。

        圖3 減速器臺架試驗(yàn)

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        在試驗(yàn)過程中,減速器沒有發(fā)生滲漏油現(xiàn)象;試驗(yàn)完成后且經(jīng)拆解檢驗(yàn),主要零部件無斷裂、齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕(點(diǎn)蝕面積超過4 mm2或者深度超過0.5 mm)、剝落、軸承卡滯等異常現(xiàn)象,減速器耐久疲勞試驗(yàn)合格。

        減速器噪聲測試結(jié)果如圖4所示,前方聲壓級數(shù)據(jù)為71.30 dB(A),后方聲壓級數(shù)據(jù)為73.33 dB(A),左側(cè)聲壓級數(shù)據(jù)為81.70 dB(A),上方聲壓級數(shù)據(jù)為72.96 dB(A)。因?yàn)闇p速器左側(cè)殼體面積較大,輻射噪聲數(shù)據(jù)偏大。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),要求減速器加載噪聲應(yīng)不大于83 dB(A),結(jié)果表明符合標(biāo)準(zhǔn),而且前、后、上3個方向的噪聲結(jié)果遠(yuǎn)低于83 dB(A)。

        圖4 減速器噪聲測試數(shù)據(jù)

        4 結(jié)論

        文中基于細(xì)高齒思路設(shè)計了電動汽車減速器,并對減速器開展了臺架耐久疲勞性能試驗(yàn)和噪聲測試,通過以上分析研究,可以得出以下結(jié)論:

        (1)標(biāo)準(zhǔn)壓力角下,提高齒頂高系數(shù)超過1.3時,齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度可以滿足安全設(shè)計要求。

        (2)齒輪端面重合度略超過2時,傳動更平穩(wěn),有利于提高減速器的NVH性能。

        (3)采用細(xì)高齒設(shè)計減速器齒輪時,要充分考慮齒輪材料的選取及熱處理工藝,保證齒輪的綜合性能。

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