電驅(qū)動橋的NVH 性能與齒輪的重合度有密切關(guān)系。在傳動系統(tǒng)分析軟件MASTA 中進(jìn)行齒輪設(shè)計和分析優(yōu)化，比較了大螺旋角和細(xì)高齒兩種設(shè)計方案對齒輪重合度的提升和對系統(tǒng)的影響，得出細(xì)高齒設(shè)計要優(yōu)于大螺旋角設(shè)計，并通過實車測試驗證了細(xì)高齒優(yōu)秀的NVH 性能。該設(shè)計方法推廣應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)的電驅(qū)動橋產(chǎn)品中，同樣取得了優(yōu)秀的NVH 表現(xiàn)。

1、 前言

NVH（noise 噪聲，vibration 振動，harshness 聲振粗糙度）已成為汽車性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電動汽車與燃油汽車相比，動力源電機(jī)的噪聲比發(fā)動機(jī)有所降低，驅(qū)動橋的噪聲會更為突出，因此提高驅(qū)動橋的NVH 性能對電動汽車的品質(zhì)具有重要意義。

對于驅(qū)動橋和變速箱NVH 的研究表明，齒輪的傳遞誤差波動是傳動系統(tǒng)噪聲的主要激勵，基本上可以說齒輪是驅(qū)動橋NVH 問題的源頭，因此圓柱齒輪的設(shè)計對電驅(qū)動橋的品質(zhì)至關(guān)重要。過去圓柱齒輪受限于制造因素和理論研究水平，多采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計，并使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪刀具進(jìn)行加工制造。時至今日，標(biāo)準(zhǔn)齒輪已無法滿足汽車行業(yè)越來越高的NVH 性能要求，采用具有高重合度的細(xì)高齒設(shè)計成為提升電驅(qū)動橋NVH 性能的有效手段。

2、齒輪理論研究

齒輪傳動是依靠各對齒輪的依次嚙合來實現(xiàn)的，實際嚙合線長度與基圓齒距的比值稱為重合度（如圖1 所示）。為了使齒輪能夠連續(xù)傳動，應(yīng)該保證前一對齒輪脫離嚙合前，后一對齒輪已經(jīng)進(jìn)入嚙合，即重合度必須大于1。作為衡量齒輪連續(xù)傳動的條件，重合度越大，表明齒輪傳動的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好。

圖1 齒輪重合度圖解

圖1 中，Rb1、Rb2分別為主被齒基圓半徑，R1、R2分別為主被齒工作節(jié)圓直徑，Ro1、Ro2分別為主被齒外徑。

齒輪重合度：

式中，DB 為嚙合線長度；Pb為基圓齒距。

許多學(xué)者通過理論和實驗的方法對齒輪的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，表明重合度是影響圓柱齒輪NVH 的關(guān)鍵因素。某大學(xué)的研究者通過改變齒輪的設(shè)計參數(shù)，如壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、齒寬等，改變齒輪的重合度，并通過CAE 方法研究了齒輪嚙合線長度和嚙合剛度的變化。結(jié)果表明理論上齒輪設(shè)計的重合度越高，齒輪的嚙合線長度和嚙合剛度的波動越小，齒輪的動態(tài)激勵越小，越有利于齒輪傳動系統(tǒng)獲得低的振動和噪聲，而重合度為整數(shù)時，齒輪的嚙合線長度和嚙合剛度趨于恒定。國外另一組學(xué)者進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，得到了軸向重合度、端面重合度與噪聲分貝值的關(guān)系。如圖2 所示，軸向重合度（εβ）和端面重合度（εα）增大時噪聲（dB）呈下降趨勢，而軸向重合度和端面重合度分別趨近整數(shù)時，噪聲進(jìn)入低谷。

圖2 齒輪重合度與噪聲的關(guān)系

根據(jù)以上研究，在齒輪設(shè)計中合理地提升重合度有利于獲得好的NVH 性能。

3 、齒輪設(shè)計和分析優(yōu)化

齒輪作為電驅(qū)動橋的核心部件，直接決定了驅(qū)動橋的速比、中心距等主要參數(shù)，且決定了整個主減的受力狀態(tài)，進(jìn)而決定了軸、軸承、殼體等主要零部件的強(qiáng)度和剛度要求，間接影響了整個主減幾乎每個零部件的設(shè)計。根據(jù)電驅(qū)動橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計的原則是在滿足強(qiáng)度的前提下盡可能提高NVH 性能，且不增加總成的尺寸和重量?？梢婋婒?qū)動橋的齒輪設(shè)計并不是孤立的，不能一味地追求高重合度，必須考慮齒輪設(shè)計對電驅(qū)動橋總成其他零部件的影響。

以我司開發(fā)的一款電驅(qū)動橋產(chǎn)品A 為例，在前期設(shè)計階段，利用專業(yè)的傳動系統(tǒng)分析軟件MASTA 建立了包含齒輪、軸、軸承、殼體等主要零部件的分析模型（如圖3 所示），對齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和分析。在最初的設(shè)計方案中，兩級齒輪均采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計，齒輪設(shè)計滿足速比和中心距要求，但考慮到一級齒輪轉(zhuǎn)速很高，在高速工況下可能產(chǎn)生NVH 問題，影響整車舒適性，故優(yōu)化齒輪設(shè)計以提高一級齒輪重合度。

圖3 電驅(qū)動橋主減速器分析模型

其中一個方案為通過加大螺旋角來提高重合度。如圖4所示，將一級齒輪螺旋角加大3°，并調(diào)整相應(yīng)齒輪參數(shù)，經(jīng)過分析，一級齒輪軸向重合度提高13.4%，最大扭矩工況下軸向力增大13.4%，一軸左軸承基本額定壽命降低21.7%?？梢娂哟舐菪请m然能提高重合度，但同時也會帶來更大的軸向力，導(dǎo)致軸承壽命降低。大螺旋角帶來的大軸向力對軸和殼體的強(qiáng)度剛度也會造成不良的影響。

圖4 加大螺旋角方案數(shù)據(jù)對比

另一個方案為細(xì)高齒設(shè)計，如圖5 所示，將一級齒輪齒頂高系數(shù)加大，并調(diào)整相應(yīng)齒輪參數(shù)，經(jīng)過分析，一級齒輪全齒高增大17.8%，端面重合度提高了17.5%，而齒輪大徑增加不到1mm，且軸向力沒有增加。

圖5 細(xì)高齒方案數(shù)據(jù)對比

對比以上兩個方案，細(xì)高齒設(shè)計可以有效增加齒輪的重合度，而不會帶來額外的軸向力對總成其他零部件造成的不良影響，且尺寸和重量的增加微乎其微，可見細(xì)高齒設(shè)計要優(yōu)于大螺旋角設(shè)計，本產(chǎn)品采用該設(shè)計方案并展開詳細(xì)的分析、設(shè)計與校核：

1）齒形分析

如圖6 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計改為細(xì)高齒設(shè)計，齒形變得細(xì)長，齒面接觸長度增加，齒頂厚度和齒根厚度變小，齒頂圓直徑略微變大。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒齒形分析

2）強(qiáng)度分析

如圖7 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計改為細(xì)高齒設(shè)計，接觸面增大，齒面接觸應(yīng)力減小，接觸強(qiáng)度提高；但齒根厚度減小，齒根彎曲應(yīng)力增大，彎曲強(qiáng)度降低。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒強(qiáng)度分析

3）重合度分析

如圖8 所示，將原標(biāo)準(zhǔn)齒設(shè)計改為細(xì)高齒設(shè)計，可以獲得更高的重合度，有利于降低噪聲，獲得好的NVH 性能。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)齒與細(xì)高齒重合度分析

4）齒面修型設(shè)計

為了進(jìn)一步提升NVH 性能，對該設(shè)計方案進(jìn)行齒面微觀修型以改善接觸區(qū)和降低TE（Transmission Error - 傳遞誤差）。

根據(jù)電驅(qū)動橋高速化的特點(diǎn)和以往的NVH 開發(fā)經(jīng)驗，該產(chǎn)品主要針對高速工況進(jìn)行齒面微觀修型設(shè)計。從產(chǎn)品配套電機(jī)的特性曲線中讀取電機(jī)高速工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率作為電驅(qū)動橋的輸入條件，在該工況下分析齒輪軸、軸承、殼體等系統(tǒng)剛度對齒輪嚙合的影響，計算齒輪嚙合錯位量，以此為依據(jù)進(jìn)行螺旋角修型、壓力角修型、齒向和齒廓起鼓修型以及齒頂拋物線修型等一系列齒面微觀修型。

如圖9 所示，經(jīng)過修型，該設(shè)計方案齒輪在高速工況下獲得了良好的接觸區(qū)，有利于獲得好的NVH 性能。

圖9 齒輪接觸區(qū)分析

如圖10 所示，經(jīng)過修型，該設(shè)計方案齒輪TE 峰峰值由0.4315 下降到0.257，TE 降低有利于獲得好的NVH 性能。

圖10 齒輪TE 分析

5）強(qiáng)度校核

考慮到細(xì)高齒設(shè)計會對齒輪齒根彎曲強(qiáng)度造成一定的削弱，對更改后的設(shè)計方案進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核，依照ISO 6336:2006 標(biāo)準(zhǔn)計算齒輪應(yīng)力，按疲勞條件和材料S-N 曲線計算許用應(yīng)力，如圖11 所示，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

圖11 齒輪強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)

綜上所述，通過兩個方案對比和一系列設(shè)計分析優(yōu)化工作，從理論上提高了一級齒輪的NVH 性能，且保證了齒輪本身的強(qiáng)度和避免了對總成其他零部件造成的不良影響，達(dá)到了電驅(qū)動橋齒輪設(shè)計要求。

4 、試驗驗證

采用以上設(shè)計方法，搭載了一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪的電驅(qū)動橋產(chǎn)品A，順利通過了齒輪疲勞試驗和總成靜扭試驗，驗證了齒輪和電驅(qū)動橋總成強(qiáng)度設(shè)計的合理性，并安裝到整車進(jìn)行路試，測試其NVH 性能。如圖12 所示，最上方的紅線為整車噪聲，中間的綠線為二級齒輪階次噪聲，最下方的藍(lán)線為一級齒輪階次噪聲，可見二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪表現(xiàn)較差，最高階次噪聲59dB，存在突出峰值，峰值距離整車噪聲較近，約11dB，對整車噪聲具有一定的貢獻(xiàn)度；而一級細(xì)高齒表現(xiàn)優(yōu)秀，最高階次噪聲44dB，且曲線非常平穩(wěn)不存在明顯峰值，基本上全程距離整車噪聲20dB 以上，對整車噪聲貢獻(xiàn)度很低。

圖12 電驅(qū)動橋產(chǎn)品A 實車噪聲測試曲線

根據(jù)以上試驗結(jié)果，可見細(xì)高齒的NVH 表現(xiàn)要明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，體現(xiàn)了高重合度齒輪的優(yōu)勢。

5、 產(chǎn)品提升

理論分析和實驗驗證相結(jié)合，有效證明了電驅(qū)動橋產(chǎn)品A 齒輪優(yōu)化設(shè)計帶來的提升效果，此經(jīng)驗推廣應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)的電驅(qū)動橋產(chǎn)品B，該產(chǎn)品兩級齒輪均采用了細(xì)高齒設(shè)計，且進(jìn)一步減小了螺旋角，減少了齒輪軸向力對總成的不利影響，同時又保證了齒輪的高重合度。該產(chǎn)品搭載在兩款不同的車型上，均進(jìn)行了NVH 試驗驗證。

如圖13 所示，裝在車型I 上進(jìn)行測試，整車噪聲加速工況最高81dB，滑行工況最高78dB；二級齒輪階次噪聲加速工況最高51dB，滑行工況最高51dB；一級齒輪階次噪聲加速工況最高41dB，滑行工況最高32dB。

圖13 電驅(qū)動橋產(chǎn)品B 在車型I 上噪聲測試曲線

如圖14 所示，裝在車型II 上進(jìn)行測試，整車噪聲加速工況最高75dB，滑行工況最高72dB；二級齒輪階次噪聲加速工況最高45dB，滑行工況最高42dB；一級齒輪階次噪聲加速工況最高41dB，滑行工況最高31dB。

圖14 電驅(qū)動橋產(chǎn)品B 在車型II 上噪聲測試曲線

根據(jù)測試結(jié)果，電驅(qū)動橋產(chǎn)品B 在兩種不同的車型上，各種工況下，兩級齒輪的階次噪聲值都很低，且曲線平穩(wěn)無明顯峰值，基本上全程距離整車噪聲20dB 以上，對整車噪聲貢獻(xiàn)度很低，NVH 表現(xiàn)優(yōu)秀。通過顧客試駕反饋，相比其他競品，該產(chǎn)品的噪聲表現(xiàn)很好。無論客觀數(shù)據(jù)還是主觀評價，都證明了該產(chǎn)品優(yōu)秀的NVH性能。

6 、結(jié)論

1）電驅(qū)動橋的NVH 性能與齒輪的重合度有密切關(guān)系，齒輪設(shè)計中合理地提升重合度有利于獲得好的NVH 性能。

2）加大螺旋角雖然能提高重合度，但會帶來額外的軸向力，對軸承、軸和殼體等其他零部件的強(qiáng)度剛度造成不良的影響；而采用細(xì)高齒設(shè)計可以避免這些不良影響同時提高齒輪的重合度。

3）對比電驅(qū)動橋產(chǎn)品A 兩級齒輪和電驅(qū)動橋產(chǎn)品B 的NVH 表現(xiàn)，可見細(xì)高齒設(shè)計可以有效提高電驅(qū)動橋的NVH性能。同時也證明了小螺旋角設(shè)計可以獲得好的NVH 表現(xiàn)。

4）細(xì)高齒設(shè)計會對齒輪齒根彎曲強(qiáng)度造成一定的削弱，但通過設(shè)計校核和試驗驗證的方法，可以避免齒輪強(qiáng)度不足造成的失效。

審核編輯：郭婷