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        電驅減速箱齒輪行波振動問題研究

        2023-06-11 15:29:42孟金鳳
        時代汽車 2023年10期
        關鍵詞:電驅

        孟金鳳

        摘 要:電驅減速箱為達到更高的功率密度,其工作轉速以及承受的扭矩也不斷提高,從而使電驅減速箱的振動問題越來越復雜。齒輪作為電驅減速箱的核心部件同樣面臨著復雜的振動問題。本文通過對某型電驅減速箱振動問題進行分析,得到了齒輪行波振動對減速箱振動噪聲水平的影響情況,同時給出了可行的減振方法。結果顯示,通過修改齒輪輻板結構,可以有效避免由于齒輪行波振動給減速箱帶來的振動和噪聲。

        關鍵詞:電驅 減速箱 行波振動

        1 背景

        某多模減速箱由發(fā)動機、電動機作為輸入,發(fā)電機、差速器作為輸出。使用過程中,具有發(fā)動機單獨驅動發(fā)電機(發(fā)電模式)、電動機單獨驅動差速器(電驅模式)、發(fā)動機和電動機共同驅動差速器等工況(混動模式)。當發(fā)動機單獨驅動發(fā)電機時,在發(fā)動機轉速達到3300~3400rpm附近,減速箱產生類似于齒輪嘯叫的高頻噪聲。圖1為該減速箱噪聲測量結果,在2700~3000Hz范圍內具有非常高的噪聲水平,且噪聲峰值出現(xiàn)在減速箱的第52階上。

        2 原因分析

        2.1 頻譜分析

        根據(jù)噪聲測試結果,第52階正好是發(fā)動機端的輸入齒輪齒數(shù),可以初步認為在輸入齒輪的嚙合激勵下引起了較為明顯的結構振動。因此,可以認為這2700~3000Hz頻段為主要的噪聲來源。

        對減速箱開展振動掃描試驗,考察其在0~3850rpm范圍內的振動情況,結果如圖2所示。減速箱在輸入轉速2100~2400rpm、3000~3400rpm、3800rpm附近存在明顯的振動峰值,且這些振動峰值均由第52階激勵引起。此外,減速箱在2000Hz、2600~2800Hz以及3100~3300Hz附近存在較明顯的共振帶。圖3為減速箱第52階階次切片,可以看出,在2100~2400rpm以及3000~3400rpm轉速范圍內各出現(xiàn)兩處振動峰值,可以認為與2000Hz、2600~2800Hz附近的共振帶有關。

        2.2 噪聲來源

        為明確噪聲來源,使用聲學包將減速箱包裹起來,測量其振動水平。結果如圖4所示,在52階的階次切片上,除3000~3400rpm范圍內的振動峰值外,其余轉速下的振動水平均有不同程度的下降,特別是2100~2400rpm范圍內的振動,降幅超過15%,不再顯示出明顯的峰值。

        考慮到加裝聲學包后改變了減速箱殼體的約束狀態(tài),同時還帶來了額外的附加質量,使減速箱殼體的模態(tài)發(fā)生改變,從而導致2100~2400rpm范圍內的振動峰值消失。同時,3000~3400rpm范圍內的振動峰值出現(xiàn)的頻率和幅值均未發(fā)生明顯改變,因此可以認為該振動與齒輪嚙合相關,與減速箱殼體振動無關。

        2.3 齒輪振動

        齒輪嚙合振動由傳遞誤差、齒輪變形、扭矩波動等造成。通過系統(tǒng)動力學仿真可以方便地排除傳遞誤差和扭矩波動的影響。因此齒輪變形是可能的主要因素。根據(jù)旋轉圓盤理論,在周期的軸向激勵作用下,圓盤將發(fā)生軸向振動,并形成1個、2個或者更多的節(jié)徑。由于圓盤處于旋轉狀態(tài),在地面的觀測者能夠看到節(jié)徑處于旋轉狀態(tài),即在盤面形成了向前或者向后傳遞的波,因此稱之為行波,而此時的圓盤發(fā)生了行波振動。

        行波振動是旋轉圓盤在周期性的軸向激勵下產生的,高速旋轉的齒輪由于軸向力的存在,同樣會產生行波振動。當公式(1)成立,且激勵的諧波數(shù)等于節(jié)徑數(shù)時,齒輪將發(fā)生行波振動,從而使齒輪的嚙合狀態(tài)發(fā)生改變,形成較大振動。

        式中:f為齒輪頻率,m為節(jié)徑數(shù),n為齒輪轉速,z為齒輪齒數(shù),k為諧波數(shù),“+”表示前行波,“-”表示后行波。

        由于行波振動分為前、后兩個方向,根據(jù)公式(1)可知發(fā)生前、后行波振動的轉速為:

        當齒輪發(fā)生行波振動時,齒輪盤上等半徑的各點作等幅、等頻率的振動,只是相位不同。在各階模態(tài)中節(jié)圓振形不易被激起,復合振形(節(jié)圓+節(jié)徑)的頻率相對較高,因此,節(jié)徑振型是主要的振動形式,其中二、三節(jié)徑振動最為明顯。

        2.4 理論分析

        輸入齒輪的結構如圖5所示,為整體式齒輪軸結構,齒寬20mm、輻板厚8mm,輻板與齒輪軸交界處為R3倒圓。對其開展模態(tài)計算,得到前3階模態(tài)的振形及頻率,如圖6所示。同時對輸入齒輪開展模態(tài)試驗,并與計算結果進行對比,兩者誤差不超過5%,在可接受的范圍內。

        利用模態(tài)計算得到的結果,繪制的共振轉速圖如圖7所示。一節(jié)徑、二節(jié)徑振形為行波振動,將產生前、后兩個不同的振動頻率,因此在共振轉速圖上體現(xiàn)為分叉的射線;由于傘形振形實際為一種特殊的節(jié)圓振形,雖然與節(jié)徑振形同為軸向振動,但是由于不存在節(jié)徑,因此不表現(xiàn)出行波振動的特征,在共振轉速圖上為一條射線。圖中,表示齒輪各階振形頻率的射線與表示齒輪嚙合激勵的52階射線的交點為可能發(fā)生共振的轉速。由此,齒輪將在2600~2700rpm、3100~3400rpm、3500rpm附近分別出現(xiàn)一節(jié)徑、二節(jié)徑行波振動以及傘形振動。由于前、后行波的頻率較為接近,在圖3所示的階次切片上顯示為多個連續(xù)的振動峰值。

        3 改進措施

        3.1 影響分析

        為解決齒輪行波振動引起的減速箱噪聲問題,對齒輪行波振動的影響因素進行分析。考慮到節(jié)徑振形是齒輪盤的軸向彎曲變形,增加倒圓半徑或者增加輻板厚度都可以提高齒輪盤的彎曲剛度,從而提高節(jié)徑振形的頻率。

        將倒圓由R3改為R5,重新計算齒輪前三階模態(tài),結果如表1所示。因此,通過增加倒圓可以提高齒輪節(jié)徑振形的頻率。

        改變齒輪輻板厚度同樣可以得到不同的節(jié)徑振形頻率,保持倒圓R5不變,逐漸增加輻板厚度,得到齒輪各階頻率隨輻板厚度的變化情況結果如表2所示。通過增加輻板厚度可以顯著增加齒輪節(jié)徑振形的頻率。

        通過影響因素分析可知,輻板厚度將顯著影響齒輪的節(jié)徑振形頻率,改變倒圓大小能夠對齒輪節(jié)徑振形的頻率進行微調。

        3.2 改進措施

        根據(jù)影響因素分析結果,試制倒圓為R5的齒輪,并開展試驗。結果顯示,在第52階階次切片上,振動峰值所對應的轉速由倒圓R3時的3100rpm、3350rpm提高至3350rpm、3620rpm。因此,可以通過提高節(jié)徑振形的頻率,使之高于減速箱常用工作轉速即可避免在常用工作轉速范圍內發(fā)生齒輪行波振動。

        通過增加輻板厚度、倒圓尺寸得到全新輸入齒輪結構,該齒輪第一階模態(tài)(一節(jié)徑振形)頻率3849Hz,大于常用工作轉速(4400rpm)對應的激勵頻率(3813Hz)。因此將不會發(fā)生行波振動。

        3.3 試驗驗證

        將改進后的齒輪裝入減速箱并在全轉速范圍內開展振動掃描,結果如圖8所示。由于結構調整,齒輪第一階模態(tài)頻率高于輸入軸軸的常用工作轉速(4400rpm),因此在4400rpm以下轉速區(qū)間沒有明顯的振動峰值。但是,在4400rpm以上轉速能夠觀察到明顯的振動峰值,且4450~4850rpm范圍內的振動水平最高。在這個轉速范圍內,齒輪發(fā)生了一節(jié)徑振動和二節(jié)徑振動。

        由此可知,經(jīng)過結構調整,將齒輪的第一階模態(tài)頻率調高至最大工作轉速以上,可以有效緩解工作轉速范圍的振動噪聲。改進措施有效。

        4 結論

        本文對某型電驅減速箱在3300~3400rpm轉速范圍內的噪聲問題進行了分析,確定噪聲主要來自于輸入軸齒輪的節(jié)徑振動,并通過結構尺寸調整研究了齒輪節(jié)徑振動的變化特征,以此指導開展結構改進設計。通過前述研究和驗證得到如下結論:

        1)高速旋轉的齒輪在周期變化的軸向激勵下將產生行波振動

        2)齒輪節(jié)徑振動是高功率密度電驅減速箱振動噪聲的主要來源

        3)通過調整齒輪輻板厚度、形狀能夠有效改變齒輪節(jié)徑振形的頻率

        4)將齒輪節(jié)徑振形的頻率調高至常用工作轉速以上可以改善齒輪箱的噪聲問題。

        參考文獻:

        [1]晏礪堂.高速旋轉機械振動[M] 國防工業(yè)出版社 1994.

        [2]任光明.旋轉盤形齒輪的橫向振動分析[J] 機械科學與技術 2000(04).

        [3]周冠嵩.基于階次分析的客車變速器噪聲試驗[J] 現(xiàn)代制造工程 2007(11).

        [4]王大勇.航空薄輻板齒輪固有特性及穩(wěn)態(tài)響應分析[J] 機械傳動 2016(05).

        [5]Rao S. S, In-Plane Flexural Vibrations of Circular Rings[J], Journal of Applied Mechanics, 1969(3).

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