基于細高齒的電動汽車減速器優化設計

史建成

（常州科澤機電有限公司，常州 213000）

相較于傳統燃油車，電動汽車驅動電機的噪聲大幅降低，減速器的噪聲凸顯。在驅動電機運行高速化的趨勢下，研究低噪聲齒輪傳動設計以優化減速器的噪聲-振動-聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness，NVH）性能，對提升整車品質具有重要意義。

關于低噪聲齒輪設計，國內外學者做了大量工作，研究主要集中在控制齒輪設計參數和提高齒輪加工精度兩個方面[1]。提高齒輪加工精度受制于企業的設備條件，往往會導致生產成本增加，適用性不高。因此，越來越多的學者聚焦于控制齒輪設計參數，以達到降噪的目的。

近年來，國內外的汽車減速器研發企業正在探索一種可以降低噪聲和提高齒輪強度的細高齒齒輪，也被稱為高重合度（High Contact Ratio，HCR）齒輪[2]。與標準齒輪相比，細高齒齒輪具有小模數、小壓力角、大齒頂和高系數等特點。目前，國內外有關細高齒齒輪傳動公開發表的文獻比較少，該研究在國內尚處于起步階段[3-4]?；诖?，針對某款電動汽車減速器，對比標準齒形和細高齒2 種參數，分析了細高齒對齒輪強度、傳動誤差的影響，并探索了細高齒在電動汽車減速器開發中的應用經驗。

1 標準齒方案分析

圖1 為某電動汽車用減速器模型，其傳動系統齒輪副基本參數見表1，可見原方案為標準齒廓、標準模數的齒輪副。齒輪選用低碳合金鋼20CrMnTi，輪齒經滲碳淬火后磨齒加工，精度等級為7 級。按照額定工況校核齒輪副強度和重合度，見表2。

表1 標準齒輪副基本參數

表2 齒輪副嚙合質量校核

圖1 電動汽車減速器模型

在額定工況下，通過專業齒輪仿真軟件對標準齒方案進行仿真分析，得到齒輪副的傳動誤差曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，傳動誤差最大值為2.32 μm，最小值為1.77 μm，傳動誤差波動達到0.55 μm。齒輪系統傳動誤差反映齒輪實際嚙合與理論嚙合的偏差情況，是產生振動噪聲的一個重要原因[5]。

圖2 標準齒嚙合傳動誤差圖

小齒輪和大齒輪齒面的載荷分布情況，分別如圖3 和圖4 所示，可以明顯看出大、小齒輪單位長度法向載荷分布位置存在嚴重偏載，需要通過調整使接觸應力分布盡量居中。其中，最大齒面單位長度法向載荷為63.366 N·mm-1，最小單位長度法向載荷為23.042 N·mm-1。

圖3 標準齒小齒輪齒面單位長度法向載荷

圖4 標準齒大齒輪齒面單位長度法向載荷

2 細高齒方案分析

為了簡化細高齒設計方案，基于標準齒方案，僅改變齒頂高系數，不改變齒輪齒數、模數、壓力角和螺旋角等。改變齒頂高系數會影響齒輪重合度大小。國外學者通過試驗得到軸向重合度、端面重合度與噪聲分貝值的關系，如圖5 所示。當軸向重合度εβ和端面重合度εα增大時，傳動噪聲呈下降趨勢，特別是當軸向重合度或端面重合度分別趨近整數時，齒輪傳動噪聲最低[6]。經計算，選取ha*=1.3，此時端面重合度εα=2.044，軸向重合度εβ=0.738，總重合度ε=2.784。端面重合度趨近于整數，根據經驗可知，該傳動方案噪聲較低。

圖5 齒輪重合度與噪聲的關系

細高齒方案中：小齒輪齒根彎曲安全系數SF=1.295，齒面接觸安全系數SH=1.024；大齒輪齒根彎曲安全系數SF=1.339，齒面接觸安全系數SH=1.064。相對于標準齒方案，安全系數明顯增大。傳遞齒輪副的傳動誤差曲線如圖6 所示，傳動誤差最大值為1.92 μm，最小值為1.75 μm，波動幅值為0.17 μm。

圖6 細高齒傳動誤差分析圖

小齒輪和大齒輪齒面應力分布分別如圖7 和圖8 所示，最大應力為40.603 N·mm-2，最小應力為17.776 N·mm-2，可見仍存在嚴重的偏載。對比標準齒計算結果，傳動誤差波動值下降69.1%，齒面單位長度法向載荷也明顯降低，傳動更加平穩，齒輪副壽命更長。

圖7 細高齒小齒輪齒面應力分布圖

圖8 細高齒大齒輪齒面應力分布圖

3 細高齒修形優化

無論是標準齒方案還是細高齒方案，最大齒面接觸應力都在齒頂位置，而齒頂是齒輪強度最低處。合理齒廓修形和齒向修形可以改善嚙合過程和嚙合部位，提高齒輪傳動的可靠性和強度，而不改變齒輪嚙合的幾何尺寸。修形到一定程度，可以補償制造誤差、安裝誤差和彈性變形，提高傳動運行的平穩性，減小噪聲和振動[7]。

齒輪修形量大小暫無統一計算標準，實際設計中通常依據經驗公式初設修形量，再結合動力學仿真軟件分析修形量，然后試制樣機試驗并優化調整，確定最佳修形量。齒輪修形量計算公式為

式中：Ft為圓周力，N；b為齒寬，mm。

根據式（1）初選齒廓、齒向修形量，分別如圖9和圖10 所示。

圖9 齒廓修形圖

圖10 齒向修形圖

修形后，傳動誤差的波動值由修形前的0.17 μm減小為0.136 μm（見圖11），降低了20%。修形完成后，再次分析額定工況下的傳動齒輪副，結果如圖12、圖13 所示。齒面應力有所增加，從修形前的40.603 N·mm-2增加到53.200 N·mm-2，且應力分布趨于均勻，基本分布在齒高及齒寬中部。采用傳統修形經驗公式對細高齒進行修形后，載荷分布更加均勻，傳動誤差明顯改善，可以預見齒輪運動將更加平穩，噪聲會進一步降低。

圖11 修形后細高齒傳動誤差

圖12 修形后細高齒小齒輪齒面應力分布圖

圖13 修形后細高齒大齒輪齒面應力分布圖

4 結語

通過對比某電動汽車減速器標準齒和細高齒2 種齒輪參數方案，分析了細高齒對齒輪強度與傳動誤差的影響，得出細高齒重合度大，傳動誤差小，能夠有效降低減速器齒輪嚙合噪聲的結論。根據標準齒經驗修形優化細高齒，以降低傳動誤差波動，改善齒面的應力分布，從而延長齒輪使用壽命，進一步改善齒輪嚙合質量，降低減速器的運行噪聲。