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基于KISSsoft的电动汽车变速箱齿轮修形优化设计-【新闻】

时间:2021/04/08 09:27:23 编辑:

以某电动汽车变速箱二挡斜齿轮副为研究对象,基于KISSsoft对斜齿轮进行修形优化研究,通过选用合适的修形方案,对修形前、后的齿轮进行接触分析,对比修形前、后的传递误差、闪温、齿面载荷分布,结果证明,采用合适的修形方案能减小齿轮传递误差,降低轮齿在啮合时的瞬时接触温度,避免了齿顶、齿根受载过大以及载荷突变等现象产生,改善了齿轮啮合传动性能,降低了齿轮传动产生的振动和噪音,使传动更加平稳。

电动汽车近年发展迅速,与传统汽车相比,虽然在动力系统上有着显著差异,但是凭借车身轻、无污染、噪音小等优点仍赢得多数人喜爱。变速箱作为电动汽车的重要组成部件,其振动频率及大小直接关系到汽车的噪音大小。变速箱噪音产生的原因多样化,其中齿轮啮合是导致噪音产生的主要原因。国内外学者的研究发现,提高变速箱齿轮的制造精度,有利于改善齿轮啮合状况,降低啮合产生的噪音。然而,制造高精度的齿轮会增加制造难度和制造成本,因此对电动汽车变速箱齿轮进行修形研究十分重要。

在国内现阶段,尚未形成齿轮修形技术的统一规范,各研究人员主要采用下述4种方式对齿轮进行修形:

①通过经验公式计算修形量,利用齿轮动态分析选择最佳修形曲线,齿轮厂商大多用该有法,但该方法不够精确;

②应用有限元方法,通过理论计算得到最佳修形参数;

③基于接触有限元理论,应用有限元软件对齿轮变形进行接触分析,得到最佳修形参数;

④通过寻找目标函数对修形参数进行优化,得到修形参数。这些方法分析时间长,研发成本高,达不到经济性要求。随着计算机技术的发展,越来越多的设计者倾向利用专门的齿轮分析软件进行辅助研究,杨硕文等利用KISSsoft对人字齿进行修形优化,周凯等用KISSsoft对齿轮箱进行减振降噪研究,敬朝银使用KISSsoft对风电齿轮磨前滚刀齿形进行了优化设计。

现以某电动汽车变速箱二挡斜齿轮副为研究对象,在KISSsoft圆柱齿轮分析模块中输入齿轮参数,得到斜齿轮三维模型,然后利用KISSsoft的自动修形功能,通过多次调整修形方式和修形参数,最终采用齿形修形和齿向修形相结合的修形方式对齿轮副进行优化,达到改善齿轮啮合性能的目的。以修形前、后的传递误差、闪温和齿面载荷分布3个啮合指标变化评判修形的效果,实现电动汽车变速箱齿轮副的啮合优化设计。

1、变速箱齿轮参数及三维模型

某电动汽车变速箱二挡斜齿轮的参数如表1所示,齿轮1为主动轮,齿轮2为从动轮,其三维模型如图1所示。

2、齿轮修形优化参数评价指标

2.1传递误差

齿轮啮合传动过程中,轮齿受载荷影响发生弹性变形,导致从动轮的实际转角可能与理论转角有偏差,如图2所示。主动轮齿廓A须多转δ,沿啮合线继续移动TE后,齿廓A才能与齿廓B啮合,其中TE为传递误差。传递误差是用来描述齿轮传动不平稳性的参数,其波动直接反映了传递误差对传动系统振动、噪音的影响。

2.2闪温

闪温理论是啮合承载能力计算的重要理论之一,该理论认为摩擦接触区的温度由两部分组成,一部分是将要进入摩擦接触区的表面温度,称为本体温度;另一部分是进入摩擦接触区后由摩擦热引起的瞬时变化的温升,称为闪温,闪温的计算基本公式如下:

其中,cm为加权系数,cm=1.5;μmy为局部摩擦系数平均值;Pn为结点载荷线密度;Er为综合弹性模量,当2个齿轮材料相同时,Er=E/(1—v2);V为泊松比;p为齿面接触结点的综合曲率半径;u为接触结点切向速度;B为热接触系数;为压力角;Ra为齿面粗糙度;ηa为齿轮本体温度下的润滑油动力黏度。

2.3齿面载荷分布

一对齿轮副在啮合时,山于制造误差、安装误差和受载变形的影响,会出现受载分均、应力集中和载荷突变等现象,降低了齿轮的承载力。因此,要有效控制齿面载荷的分布,避免载荷突变、偏载和齿端载荷集中等情况的发生,提高齿轮强度,延长齿轮的使用寿命。

3齿轮修形设计及结果分析

3.1修形方案设计

在KISSsoft齿轮副分析单分中输入斜齿轮的基本参数、定义齿轮材料以及润滑方式等,对其进行啮合接触分析,通过分析获得传递误差曲线、闪温曲线和齿面载荷分布等参数指标。关于齿轮修形量有如下的计算公式:

其中,Fn为齿面法向作用力;f为齿顶修整系数;b为齿宽;pb为齿轮基节;εa为齿轮的端面重合度;FβX为原始的齿向拟合误差。齿轮手册推荐齿轮齿顶、齿根或两端的修形量通常在0.0007~0.03mm,KISSsoft软件根据齿轮转动的传递误差、闪温和齿面载荷分布等因素自动提供参考修形量:齿形修形量25μm,鼓形量10μm。根据经验,采用综合修形方式能更好地提高轮齿各方面的性能。在此基础上选取多组修形量和修形方式的组合,将不同组合的修形方案输入KISSsoft,KISSsoft会自动计算从而得出修形结果,并对不同组合的修形结果进行分析得出最优方案,修形方案如表2所示,该方案为齿轮1进行齿顶、齿根修形,齿向鼓形;齿轮2进行齿顶、齿根修形,齿形鼓形。

3.2结果分析

将修形方案输入KISSsoft中进行分析,将得到的结果与修形前进行对比,齿轮修形前、后的传递误差曲线如图3所示。从图3可以看出,修形后齿轮传递误差曲线的峰值有所降低,曲线的波动范围由修形前的-14.7~-11.50μm减小为修形后的-19.35~-16.50μm,曲线变化更加圆滑。这说明修形使齿轮传动的平稳性增加,齿轮在啮合过程中的振动和噪音有所改善。

图4所示为修形前、后的闪温曲线,由图4可知,修形后齿轮啮合传动的瞬时温度有所降低,修形前最高瞬时温度为41.5℃,修形后为38.5℃,降低了3℃,修形后瞬时温度接近规律变化。修形降低了齿轮在啮合时的瞬时温度,改善了啮合性能,防止齿热变形和啮合失效发生,提高了齿轮的啮合承载能力。

图5所示为齿面载荷分布及齿面接触斑点的分布,修形前的齿面载荷分布不均,在齿顶和齿根附近存在较大载荷(见图5(a)),会使齿轮磨损严重,缩短使用寿命,甚至发生折断。此外,在沿啮合线方向存在载荷突变,使轮齿在啮合过程中出现附加载荷,不利于齿轮啮合。修形后,载荷从齿面中部向外扩展,总体载荷有所降低,并且齿顶和齿根附近分布的载荷较小(见图5(c)),消除了载荷突变,提高了齿轮啮合性能,传动更加平稳,避免了齿顶和齿根的过度磨损。通过上述分析可知,在未修形时,齿轮在啮合传动过程中,传递误差波动较大,瞬时接触温度较高,甚至出现载荷突变,导致齿轮传动不平稳,产生振动及噪音。通过对齿轮进行齿形和齿向修形,有效改善了齿轮的啮合性能、振动和噪音情况,减小了齿顶和齿根附近的载荷,降低了传动误差的波动,提高了齿轮传动的平稳性。

4结束语

使用KISSsoft软件可以方便地对齿轮进行修形优化,相比于传统的修形方法,节省了时间,提高了修形效率。KISSsoft软件具有强大的齿轮传动计算分析功能,并且可以提高优化参数指标。通过KISSsoft软件对电动汽车变速箱二挡斜齿轮采用齿形修形和齿向修形相结合的修形方式,从传递误差、闪温和齿面载荷分布这3个指标来对修形效果进行评判,结果显示3个评判指标均得到改善,齿形和齿向结合的修形方式不仅能改善齿轮的啮合性能,还降低了齿轮的磨损,延长了齿轮使用寿命。

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