近年來，細(xì)高齒由于具有高承載能力、低振動噪聲的優(yōu)勢而逐漸成為研究熱點(diǎn)。

為了研究細(xì)高齒所具有優(yōu)勢的機(jī)理，文章針對某輕型電驅(qū)橋的某對齒輪副，利用有限元軟件ABAQUS對齒輪副進(jìn)行加載接觸分析，對比研究了細(xì)高齒和常規(guī)齒在受載后的各種傳動特性參數(shù)，包括彎曲應(yīng)力分布、接觸應(yīng)力分布、重合度和承載傳動誤差等。

結(jié)果表明，細(xì)高齒相對于常規(guī)齒齒根彎曲強(qiáng)度提高了27.76%，齒面接觸強(qiáng)度提高了21.93%，重合度提高了16.27%， 傳動誤差降低了43.48%。

近年來，國內(nèi)越來越多的汽車傳動部件開始使用細(xì)高齒。對于細(xì)高齒齒輪，目前尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，一般指的是通過調(diào)整一項(xiàng)(較大齒頂高系數(shù))或幾項(xiàng)參數(shù)(較小壓力角、較小模數(shù) 等)而得到的輪齒看起來“細(xì)長”的高重合度齒輪。

由于細(xì)高齒具有承載能力大、振動噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，在車規(guī)級傳動部件中發(fā)揮著重要作用。尤其是對于電動車，失去發(fā)動機(jī)噪聲掩蓋后的超靜音設(shè)計(jì)需求，更為細(xì)高齒提供了廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)學(xué)者對細(xì)高齒做了一定研究。徐海軍等以實(shí)際開發(fā)的電驅(qū)橋產(chǎn)品為例，對比研究了細(xì)高齒和大螺旋角兩種方案對振動噪聲的影響。 史建成以某款電動車減速器為例，對比了標(biāo)準(zhǔn)齒和細(xì)高齒的嚙合特性區(qū)別。

范士超等研究了細(xì)高齒的剛度及最大載荷分擔(dān)率的變化規(guī)律。潘昱等對細(xì)高齒直齒圓柱齒輪溫度場進(jìn)行了分析并做了試驗(yàn)驗(yàn)證。

王樹山等基于細(xì)高齒的思路設(shè)計(jì)了一款電動汽車減速器，并對其進(jìn)行了性能測試。章翔峰等對細(xì)高齒的嚙合剛度及動態(tài)特性進(jìn)行了研究。李發(fā)家等推導(dǎo)了細(xì)高齒的齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算方法。

本文以某款輕型電驅(qū)橋的兩擋自動變速箱(Automated Mechanical Transmission, AMT)的二級傳動低擋齒輪副為例，通過基于有限元準(zhǔn)靜態(tài)的齒輪加載接觸分析(Loaded Tooth Contact Analysis, LTCA)，對比研究細(xì)高齒和常規(guī)齒的嚙合傳動特性，闡述細(xì)高齒的優(yōu)勢。


齒輪副三維建模：

圖1為我司自主開發(fā)的新能源輕卡用輕型電驅(qū)動橋的主減傳動機(jī)構(gòu)，其由平行軸兩擋AMT減速器和NGW行星齒輪減速器組成。


該輕型電驅(qū)橋主減兩擋減速器二級傳動低擋齒輪副采用了法面齒頂高系數(shù)han=1.25的細(xì)高齒，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。將表1中han改為1，即得到相較于標(biāo)準(zhǔn)齒僅變位之別的常規(guī)變位齒輪(本文簡稱常規(guī)齒)的設(shè)計(jì)參數(shù)。在Creo中分別建立細(xì)高齒齒輪副及常規(guī)齒齒輪副的三維模型。



LTCA 模型建立過程：

分別將細(xì)高齒齒輪副及常規(guī)齒齒輪副的七齒嚙合模型導(dǎo)入ABAQUS中。主動輪、從動輪賦予材料(20GrMnTiH)屬性：楊氏模量為207GPa，泊松比為0.29。

分別在主動輪、從動輪軸線上建立參考點(diǎn)，參考點(diǎn)與齒輪內(nèi)圈及兩側(cè)剖面間建立耦合約束。將主動輪、從動輪接觸的齒面定義為接觸對：法向設(shè)置為“硬接觸”，切向忽略摩擦力。

設(shè)置三個后續(xù)分析步：

在第一個分析步incontact中，從動輪參考點(diǎn)上施加固定約束，主動輪參考點(diǎn)上施加繞軸線方向自由度上的微小角位移，消除齒側(cè)間隙，平穩(wěn)地建立起接觸;

在第二個分析步load中，釋放從動輪參考點(diǎn)繞軸線的轉(zhuǎn)動自由度，同時在該參考點(diǎn)上施加繞軸線的轉(zhuǎn)矩負(fù)載;

在第三個分析步motion中，主動輪參考點(diǎn)上施加繞軸線的角位移，大小為1.2rad，使主動輪在轉(zhuǎn)矩負(fù)載作用下驅(qū)動從動輪轉(zhuǎn)動;將增量步設(shè)置為恒定0.01，即將motion分析步均勻劃分為120份。將采用C3D8R單元劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

歷史變量輸出中增加主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)角及中間三齒的接觸力;場變量輸出按軟件默認(rèn)設(shè)置。將Nlgoem設(shè)置為ON，考慮到幾何非線性效應(yīng)，選擇隱式、靜力學(xué)分析算法進(jìn)行求解。對于非線性問題，隱式求解器綜合采用牛頓-拉夫遜迭代法和增量法進(jìn)行求解。


彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力：

以主動輪為例，逐個增量步地查看中間輪齒從嚙入到嚙出的完整過程可知，細(xì)高齒主動輪齒根最大彎曲應(yīng)力為500.9MPa，如圖3(a)所示


較常規(guī)齒的693.4MPa，如圖3(b)所示，降低了27.76%，均未超屈服極限。

細(xì)高齒主動輪齒面最大接觸應(yīng)力為1011MPa，如圖4(a)所示，較常規(guī)齒的1295MPa


如圖4(b)所示，降低了21.93%，均未超許用值(變速器一擋和倒擋滲碳齒輪許用接觸應(yīng)力為1900～2000MPa)。


實(shí)際重合度：

重合度是用來表示齒輪傳動過程中同時參與嚙合的輪齒對數(shù)的平均值。若已知單對輪齒發(fā)生接觸時間為ΔT和相鄰兩對輪齒開始進(jìn)入嚙合的時間差為Δt，則重合度可以表示為ΔT/Δt。齒輪承載后發(fā)生彈性變形會使得實(shí)際重合度大于利用公式算得的幾何重合度。從歷史變量輸出結(jié)果中提取中間三個輪齒接觸力隨時間的變化數(shù)據(jù)得到齒面接觸力變化曲線(見圖5)，計(jì)算出細(xì)高齒和常規(guī)齒齒輪副的實(shí)際重合度分別為3.43、2.95。細(xì)高齒單齒最大嚙合力為12343N，較常規(guī)齒的13883N降低了11.09%。


承載傳動誤差：

純幾何意義上，漸開線齒廓的齒輪副具有恒定的傳動比。但實(shí)際嚙合加載后齒輪副不可避免地發(fā)生彈性變形，從而產(chǎn)生傳動誤差。傳動誤差是齒輪副傳動噪聲的主要激勵來源。若一對齒輪副的主動輪和從動輪分別轉(zhuǎn)動了Δε1和Δε2的角度，則因彈性變形產(chǎn)生的傳動誤差為Δε2-Δε1.N1/N2。 從歷史變量輸出結(jié)果中提取主、從動輪角位移隨時間的變化數(shù)據(jù)得到傳動誤差隨主動輪轉(zhuǎn)角的變化曲線，如圖6所示。


由圖6可知，齒輪副的傳動誤差達(dá)到10-5數(shù)量級，周期性地波動;細(xì)高齒齒輪副的傳動誤差峰峰值為0.65×10-5rad，較常規(guī)齒齒輪副的1.15×10-5rad降低了43.48%，即細(xì)高齒傳動更加平穩(wěn)。


本文針對我司自主開發(fā)的輕卡用輕型電驅(qū)動橋兩擋減速器的二級傳動低擋齒輪副，通過基于有限元的加載接觸分析，對比研究了細(xì)高齒和常規(guī)齒的嚙合傳動特性。

結(jié)果表明，相較于常規(guī)齒，細(xì)高齒的主動輪齒根最大彎曲應(yīng)力降低了27.76%，齒面最大接觸應(yīng)力降低了21.93%，重合度提高了16.27%，單齒最大嚙合力降低了11.09%，傳動誤差降低了43.48%。

即細(xì)高齒齒輪副具有重合度更高、承載能力更大和傳動更加平穩(wěn)的特點(diǎn)。通過本文分析，既揭示了細(xì)高齒有著常規(guī)齒不可比擬的優(yōu)勢，又驗(yàn)證了該款電驅(qū)橋齒輪副設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)：略

作者簡介：張金釗(1991-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉瓷逃密囇邪l(fā)