純電動(dòng)三合一電驅(qū)總成NVH問題的方法

某純電動(dòng)三合一電驅(qū)動(dòng)總成在整車節(jié)氣門全開（Wide Open Throttle, WOT）、脈沖序列輸出（Pulse Train Output, POT）加速和反拖滑行行駛工況時(shí)，在車外和車內(nèi)近場都出現(xiàn)明顯異響、嘯叫等噪音，主要發(fā)生頻率范圍大概在20～5 000 Hz，很容易被人耳朵識(shí)別。控制嘯叫NVH問題的途徑如圖1所示，其中控制嘯叫的兩個(gè)主要途徑是控制激勵(lì)源和傳播路徑，本文主要是通過控制激勵(lì)源來優(yōu)化NVH問題達(dá)到目的。

圖1 控制嘯叫NVH問題途徑

1 故障車NVH測試

對(duì)下線車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)：組織相關(guān)專家對(duì)66#車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，主觀感受車輛存在明顯的變速箱嘯叫；車輛在一級(jí)齒輪主階次、二級(jí)齒輪主階次和一#2級(jí)反拖主階次都出現(xiàn)嘯叫較嚴(yán)重NVH問題，不可接受。

在66#整車上對(duì)變速箱噪音信號(hào)進(jìn)行采集，66#測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 WOT運(yùn)動(dòng)模式加速車內(nèi)噪聲

從圖中可知，嘯叫現(xiàn)象主要出現(xiàn)在WOT全油門加速工況：一級(jí)22階次1 500～3 500 r/min、 4 500～6 000 r/min、7 000～8 000 r/min、9 000～10 000 r/min段，二級(jí)齒輪6.16階次3 000～ 6 000 r/min，出現(xiàn)階次造成超標(biāo)、嘯叫等NVH問題；測量數(shù)據(jù)表明一級(jí)和二級(jí)主階次對(duì)嘯叫NVH噪聲的貢獻(xiàn)較大。

2 電驅(qū)動(dòng)減速器NVH問題原因分析

減速器NVH問題產(chǎn)生的因素很多，NVH—噪音、振動(dòng)、模態(tài)分析[1-2]，識(shí)別減速器NVH噪音問題的影響因素進(jìn)行分解，如圖3所示。

減速器NVH問題主要表現(xiàn)為齒輪嘯叫問題，通過對(duì)激勵(lì)、路徑和響應(yīng)進(jìn)行故障問題分析，本文主要從激勵(lì)源齒輪副嚙合噪聲特性研究分析[3]，產(chǎn)生齒輪嚙合的嘯叫可能因子分解，如圖4所示。

綜上，電驅(qū)動(dòng)減速器NVH問題主要問題有：1）齒輪宏觀參數(shù)指標(biāo)優(yōu)化重新設(shè)計(jì)；2）齒輪微觀修形的優(yōu)化重新設(shè)計(jì)。

3 減速器齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)，在保證滿足齒輪強(qiáng)度下，通過減小齒輪模數(shù)、增加齒數(shù)、提高齒頂高系數(shù)和增大螺旋角方向，提高端面和軸向重合度，實(shí)現(xiàn)減小傳遞誤差。眾所周知，齒輪嚙合重合度越大，單個(gè)齒所受的載荷越小，傳動(dòng)越平穩(wěn)，傳遞誤差越小，所以通過增加端面重合度、軸向重合度和總重合度來減小傳遞誤差，這是減速器解決NVH噪音問題優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)的主要目的，如表1所示。

圖3 減速器NVH問題影響因素

圖4 減速器嘯叫產(chǎn)生的可能因子分解

表1 減速器一、二級(jí)齒輪副宏觀參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

3.2 微觀修形優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前純電動(dòng)汽車扭矩需求越來越大，同時(shí)扭矩使用較寬，又因制造和安裝誤差、軸系的彎曲扭轉(zhuǎn)變形、齒輪的受載彈性變形、熱變形、軸承游隙等復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致減速器齒輪的齒形偏離理論輪廓，造成嚴(yán)重的載荷集中現(xiàn)象，從而加劇NVH嘯叫噪音。另一方面，純電動(dòng)車速也越來越高，齒輪傳遞的功率相應(yīng)增大，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)增加熱變形，使得齒輪副的嚙合偏離理論輪廓，從而增加傳遞誤差。這時(shí)，需要對(duì)齒輪進(jìn)行微觀修形，補(bǔ)償實(shí)際嚙合與理論嚙合之間的偏離，能有效優(yōu)化減速器的嘯叫噪音NVH問題。齒輪修形可分為修緣、鼓形、端面修形和角度修形。受載齒輪在單對(duì)齒嚙合時(shí)，輪齒會(huì)因彈性變形而產(chǎn)生基節(jié)誤差。另外，齒輪還存在制造上的基節(jié)誤差，嚙入嚙出存在沖擊，嚴(yán)重影響齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性，為了消除這種嚙入嚙出沖擊干涉，考慮磨齒工藝性和加工成本，常用對(duì)齒頂進(jìn)行修緣。由于齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的變形和其制造、安裝上的誤差，齒輪嚙合時(shí)載荷沿齒面接觸線的分布是不均勻的。如果齒輪軸不平行或其他原因造成軸兩邊的彎曲變形不等時(shí)，則會(huì)發(fā)生齒端局部接觸現(xiàn)象，出現(xiàn)載荷集中的現(xiàn)象。為避免上述兩個(gè)現(xiàn)象，減輕嚙合沖擊，進(jìn)行齒向端面修形。經(jīng)修鼓形量的齒輪嚙合接觸會(huì)先發(fā)生在靠近齒寬中間部分，然后再過渡到全齒寬上，有利于齒面上的載荷分布均布，并能提高齒輪的疲勞壽命，降低NVH噪音問題。在產(chǎn)品開發(fā)初期，考慮NVH開發(fā)[4-5]，首先用Masta軟件建模，把齒輪、軸、差速器殼體進(jìn)行有限元畫網(wǎng)格處理，其次把電驅(qū)動(dòng)單元（Electric Drive Unit, EDU）三合一總成殼體進(jìn)行有限元處理，把殼體有限元整體導(dǎo)入Masta模型中，再按照客戶或成熟產(chǎn)品常用載荷譜進(jìn)行微觀修形優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真，如圖5所示，對(duì)齒頂進(jìn)行修緣，同時(shí)，在齒形、齒向方向上分別進(jìn)行鼓形量（Ca, Cβ）及齒形、向角度誤差（fHα, fHβ）進(jìn)行修形，以達(dá)到傳遞誤差TE降低。TE目標(biāo)值一級(jí)齒輪副＜0.25，二級(jí)齒輪副＜0.5，齒輪接觸斑點(diǎn)中心應(yīng)位于齒高H*40%和齒寬B*40%形成的矩形區(qū)域內(nèi)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 Masta建模仿真

3.2.1修形結(jié)果

表2 減速器一、二級(jí)齒輪副微觀參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

觀修形優(yōu)化前后微觀參數(shù)對(duì)比，T1和T2是優(yōu)化前，T3是優(yōu)化后結(jié)果，如表2所示。

微觀修形優(yōu)化前后TE數(shù)值對(duì)比，T1和T2是優(yōu)化前、T3是優(yōu)化后，一、二級(jí)齒輪副TE值優(yōu)化前后對(duì)比，如圖6和圖7所示。

接觸斑點(diǎn)優(yōu)化前后對(duì)比，優(yōu)化后的接觸斑點(diǎn)更居中，有利于齒輪接觸疲勞強(qiáng)度，如圖8和圖9所示。

圖6 一級(jí)齒輪副優(yōu)化前TE對(duì)比

圖7 二級(jí)齒輪副優(yōu)化后TE對(duì)比

圖8 優(yōu)化前接觸斑點(diǎn)

圖9 優(yōu)化后接觸斑點(diǎn)

3.3 齒輪軸承強(qiáng)度校核

齒輪、軸承強(qiáng)度校核滿足設(shè)計(jì)要求，齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)＞1.0，齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)＞1.2，軸承損傷率＜100%，如圖10和圖11所示。

圖10 優(yōu)化后齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果

圖11 優(yōu)化后齒輪軸承強(qiáng)度校核結(jié)果

4 優(yōu)化樣機(jī)測試評(píng)價(jià)

4.1 EDU總成搭載整車

按照新的齒輪宏觀、微觀參數(shù)試制齒輪軸零件，裝配EDU總成樣機(jī)，再把EDU總成搭載整車。

4.2 整車主觀駕評(píng)

齒輪宏觀參數(shù)和微觀修形參數(shù)優(yōu)化后方案T3，第一級(jí)齒輪（27階）較原方案（22階）優(yōu)化明顯，第二級(jí)齒輪諧波優(yōu)化也較明顯，反拖工況主要問題的第一級(jí)齒輪T3的27階次噪音也較原（22階）優(yōu)化明顯。

4.3 整車NVH測試

圖12 測試傳感器布置位置

在整車NVH測試中，傳感器布置如圖12所示。

4.4 齒輪宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)優(yōu)化前后NVH性能對(duì)比

圖13 優(yōu)化前后齒輪嚙合階次線

圖14 優(yōu)化前后車內(nèi)噪音階次切片的對(duì)比曲線

齒輪優(yōu)化前后，整車NVH測試結(jié)果如圖13和圖14所示。

4.5 整車NVH測試結(jié)論

通過齒輪宏觀參數(shù)和微觀修形參數(shù)優(yōu)化后的方案（深色曲線），第一級(jí)齒輪（27階）較原方案（22階）大幅優(yōu)化（減小20 dBA），第二級(jí)齒輪諧波減小10 dBA。反拖工況，主要問題為第一級(jí)齒輪27階次噪音，針對(duì)該問題，優(yōu)化后的方案較原方案大幅優(yōu)化（減小15 dBA）。

5 結(jié)語

以整車嘯叫NVH問題作為減速器的故障表現(xiàn)形式，通過對(duì)故障車NVH測試以及階次分析，識(shí)別出主要噪聲階次。通過以上齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒寬等宏觀參數(shù)優(yōu)化，特別進(jìn)行細(xì)高齒優(yōu)化設(shè)計(jì)，其目的都是提高齒輪的重合度，同時(shí)通過Masta軟件建模仿真修形，對(duì)齒頂修緣、齒形、齒向角度修形及鼓形量等微觀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減小傳遞誤差、增大重合度，經(jīng)過以上優(yōu)化驗(yàn)證很好地改善齒輪嚙合區(qū)域，減小傳遞誤差，此方案對(duì)于解決純電動(dòng)高速電驅(qū)EDU總成NVH問題效果較佳，最終得到客戶的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，也為純電動(dòng)汽車高速EDU減速器NVH性能工程化優(yōu)化提供一種思路。

審核編輯：湯梓紅