CN115730385A - 一种变速器斜齿轮的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速器斜齿轮的设计方法，其包括如下步骤：S1，基于产品设计任务书形成若干组斜齿轮初始参数组合数据；S2，以重合度作为约束条件，计算得到各阶次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求；S3，采用蜗杆砂轮对S2初步确定斜齿轮参数组合的斜齿轮样件进行磨齿，微观测量并评估测量参数是否满足设计要求；S4，识别齿面规则纹理的波纹幅值和波形数；S5，在S2初步确定的斜齿轮参数组合约束下，带入由S4实际计量读取的波纹幅值和波形数，计算磨齿齿形波纹影响下各剂次齿轮谐波的传递误差，评估传递误差是否满足设定要求。其能够在设计初期有效降低谐波噪音风险，提升变速器NVH性能，缩短开发周期，降低开发成本。

Description

一种变速器斜齿轮的设计方法

技术领域

本发明涉及汽车变速器领域，具体涉及变速器斜齿轮的设计方法。

背景技术

齿轮啸叫为变速器噪音主要表现形式，主要是由于齿轮啮合过程中的不平稳传动引起，是一种谐次噪声(类似“吹口哨似”的正弦波)，其频率由齿轮齿数和其转速决定。新能源汽车的整车掩蔽效应降低，对于变速器噪音要求也对应提高，变速器齿轮工艺也由剃齿工艺提升到磨齿工艺。常用的蜗杆砂轮磨齿工艺会造成齿轮表面出现规则纹理，进而产生倍频啸叫，其频率更高，更容易造成客户抱怨。工程上通常采用加严零部件验收标准或增加整车声学包方式进行优化，前者降低合格率，后者增加整车成本，优化措施的经济性并不高。

基于目前研究，变速器啸叫是由于齿轮***啮合过程中齿对的传递误差而产生，而合适的齿轮重合度有利于降低传递误差，因此目前的齿轮设计均是尽量可能的提高重合度。而齿轮倍频啸叫除了受重合度因素的影响，还同时受到齿轮表面纹理影响，而对于齿轮表面纹理的控制目前均是在齿轮加工阶段进行波纹度的控制。

CN105138734A公开了一种改进的斜齿轮噪声优化设计方法，属于变速器齿轮的优化设计领域。提供一种基于材料力学理论的改进石川法变速器斜齿轮主参数优化设计方法，该方法可减小齿轮啮合的传递误差，从而减小啮合过程中的振动与噪声、提高使用寿命和驾乘舒适性。包括以下几个步骤：步骤一，建立斜齿轮啮合过程中的啮合动刚度和动态传递误差的计算模型，用于计算斜齿轮啮合动态传递误差波动值；步骤二，基于步骤一的计算模型和齿轮设计法规要求，建立以减小噪声、减少体积为目标，同时保证强度和使用过程中的可靠性的变速器斜齿轮主参数的优化设计模型，对变速器斜齿轮进行优化设计；步骤三，对优化设计得出的最优参数进行检验，确保优化结果的正确性。但是其仍然存在如下问题：1、方法中未以齿轮重合度作为约束条件，对于齿轮啸叫噪声优化有限，进而也未形成基于减少齿轮噪声的重合度设计准则。2、未考虑齿轮倍频与齿轮参数关系，无法做到基频(啮合频率)与倍频设计参数的合理权衡。3、未考虑齿轮加工齿面纹理参数对高频(倍频)影响。

CN107194124A公开了一种变速器斜齿轮的设计方法，其包括：采用Romax软件建立变速器模型的步骤，在一定范围内调整变速器的结构参数进行各挡齿轮副排列组合的步骤，根据约束条件对排列组合出的齿轮副组合进行筛选的步骤，对通过约束条件筛选的齿轮副组合进行安全系数计算以及可靠性筛选的步骤，对通过可靠性筛选的齿轮副组合进行传递误差计算以及对比分析的步骤。采用该设计方法能合理、准确地设计变速器斜齿轮的结构参数，降低变速器的啸叫噪声。但是其存在如下问题：1、虽给出了重合度的设计标准，但仍未考虑对倍频影响及适用情况。2、应用于新能源减速器存在局限，磨齿齿轮其齿面纹理参数对齿轮高频噪声影响较大，该申请并未提及在设计阶段如何考虑其与基频参数平衡。

现有的变速器斜齿轮设计通常采用重合度作为设计约束条件，用传递误差作为齿轮啸叫性能在设计阶段的评价标准，但目前文献中给出的重合度设计标准及传递误差的评价指标均是以齿轮啮合基频(啮合频率)为对象，并未在设计阶段考虑二阶谐波、三阶谐波，也未形成对应的重合度设计标准及传递误差评价指标。

现有的变速器斜齿轮设计中未考虑齿轮制造相关误差影响，通常采用在制造阶段进行产品质量控制，其管理成本和时间成本也随之提高，并且一致性难以保障。实际上，制造产生的齿轮误差对齿轮的各阶次谐波产生存在贡献。二阶谐波主要由于齿形误差造成、三阶谐波主要由于切削误差、进给痕迹造成。随着齿轮加工工艺的提升，目前新能源减速器齿轮均采用了磨齿工艺，而磨齿工艺精度能达到5～6级，其节圆误差、齿向误差、表面粗糙度均能控制在较小的误差范围，例如：齿向误差在批量生产中能较稳定的控制在±5um以内(磨齿工艺要求一般为±7.5um)。因此，对于新能源减速器产品而言，由于齿形制造误差造成的一阶、四阶谐波风险较低。而由于磨削效率等因素影响，磨齿工艺较多的采用蜗杆砂轮磨齿，其提高齿轮精度同时，也会由于自身磨削机理造成齿面形成规则纹理，其中齿形方向的形貌特征可以用波动幅度、波动的波长、齿面波动方向三个参数进行描述，其中波纹幅值、波动波长对二、三阶谐次噪声影响较大。采用改变磨床刀具速度方式可以降低二、三阶谐次噪声，但降噪效果不明显，用于仿真计算分析的冲程变速器模型精度不高，同时，实际生产中变速曲线复杂，存在实际磨床操控困难的问题，也提高设备采购运行成本，因此实际工程加工中应用较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种变速器斜齿轮的设计方法，其能够在设计初期有效降低谐波噪音风险，提升变速器NVH性能，缩短开发周期，降低开发成本。

本发明所述的变速器斜齿轮的设计方法，其包括如下步骤：

S1，基于产品设计任务书形成若干组斜齿轮初始参数组合数据；

S2，以重合度作为约束条件，分析计算得到S1中的若干组斜齿轮初始参数组合数据的一阶次齿轮谐波、二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则初步确定斜齿轮参数组合，进入S3，若否，则返回S1；

S3，采用蜗杆砂轮对S2初步确定斜齿轮参数组合的斜齿轮样件进行磨齿，然后进行微观测量，并评估测量参数是否满足设计要求，若是，则进入S4，若否，则重新进行磨齿；

S4，识别磨齿后的齿面规则纹理的波纹幅值和波形数；

S5，在S2初步确定的斜齿轮参数组合约束下，带入由S4实际计量读取的波纹幅值和波形数，分析计算磨齿齿形波纹影响下二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则以此斜齿轮参数组合作为设计方案，若否，则调整齿形微观修形参数，重复S2至S5。

进一步，还包括S6，在S5确定的斜齿轮参数组合约束下，带入S4中出现频次最多的波形数，对此波形数下的不同波纹幅值进行传递误差校核分析，确定波纹幅值控制标准。

进一步，S1具体为：根据设计任务书提供的变速器中心距、各挡齿轮副的速比以及设定的各个斜齿轮的螺旋角、压力角、法向模数、齿数、齿宽、变位系数、侧隙、齿廓倒角、齿顶倒角、加工余量，采用Romax软件建立变速器模型，从该变速器模型上得到各挡齿轮副的重合度数据，

采用Romax软件，在各个斜齿轮的螺旋角的调整范围内、压力角的调整范围内、齿宽的调整范围内、法向模数的调整范围内、各挡齿轮副的速比的调整范围内，调整变速器模型中各个斜齿轮的螺旋角和/或压力角和/或齿宽和/或法向模数和/或各挡齿轮副的速比，得到并保存若干组齿轮副组合以及对应的重合度数据，即形成若干组斜齿轮初始参数组合数据。

进一步，S2具体为：采用Romax软件，根据重合度约束条件，对S1形成的若干组斜齿轮初始参数组合数据进行筛选，满足重合度约束条件的斜齿轮初始参数组合通过约束条件筛选，采用Romax软件中的FE求解器进行有限元法求解，计算通过约束条件筛选的所有斜齿轮初始参数组合的传递误差。

进一步，S3中的测量参数包括误差、齿向形状误差、齿形形状误差、齿形倾斜误差、齿向鼓形量、齿形鼓形量、周节累积误差、齿圈径向跳动误差。

进一步，S2中各阶次齿轮谐波的传递误差设定要求具体为：当斜齿轮用于MT变速器或DCT变速器时，一阶次齿轮谐波的传递误差幅值≤1.0μm，二阶次齿轮谐波和三阶次齿轮谐波的传递误差幅值均≤0.5μm；

当斜齿轮用于混动变速器时，一阶次齿轮谐波的传递误差幅值≤0.8μm，二阶次齿轮谐波和三阶次齿轮谐波的传递误差幅值均≤0.3μm。

进一步，S4具体为：磨齿后的齿面规则纹理的三维图谱简化为多条沿齿宽方向依次叠加的二维齿形波纹曲线，通过评估不同二维齿形波纹曲线和同一齿的齿形三截面曲线，识别得到磨齿后的齿面规则纹理的波纹幅值和波形数。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明在设计初期以重合度作为约束条件，分析计算得到若干组斜齿轮初始参数组合数据的一阶次齿轮谐波、二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，在设计初期就能够有效降低谐波噪音风险，改善了斜齿轮谐波噪音，提升了变速器NVH性能，尤其在新能源减速器噪声作用显著，有效降低客户抱怨。减少由于倍频谐波噪音问题造成的齿轮方案重新设计，缩短了开发周期，降低了开发成本，并且规避了后期对磨齿设备刀具变速加工的方案设计与设备调整，降低了零部件加工成本及周期。

2、本发明以重合度作为约束条件，结合各阶次齿轮谐波的传递误差设定要求的具体限定，能有效降低二阶、三阶谐波产生的齿轮噪声，避免因斜齿轮参数设计未充分考虑谐波影响造成的后期方案优化与整改，节约了开发费用。

3、本发明采用齿形形状误差、齿形波形数两个参数分别表征齿形形貌的齿面波动幅值、齿面波动的波长，将齿面形貌参数识别二维化，利用常用的齿轮计量设备即可以测量相应数据。同时，采用齿形形状误差、波形数评价最大波纹幅值对应齿形形貌特征点，避免对所有的波动点进行分析评估，简化了后续CAE分析。

4、本发明采用蜗杆砂轮对初步确定斜齿轮参数组合的斜齿轮样件进行磨齿，然后进行微观测量，并评估测量参数是否满足设计要求，然后在初步确定的斜齿轮参数组合约束下，带入由实际计量读取的波纹幅值和波形数，分析计算磨齿齿形波纹影响下二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，即将制造误差引入斜齿轮设计中，对斜齿轮微观修形参数进行二次校正，规避了固有的工艺制造误差造成的倍频噪声问题，同时提升了产品性能稳定性。此方法还可以规避采用变速加工工艺造成的设备改造成本提升与变速控制精度误差问题。

5、本发明在确定的斜齿轮参数组合约束下，带入出现频次最多的波形数，对此波形数下的不同波纹幅值进行传递误差校核分析，确定波纹幅值控制标准，能够更加精准的实现量产产品的质量控制，保障产品一致性。

附图说明

图1是本发明所述变速器斜齿轮的设计方法的流程图；

图2是磨齿后的齿面规则纹理的三维图谱；

图3是二维齿形波纹曲线示意图；

图4是波形数的定义示意图；

图5是本发明实施例中实际计量曲线示意图；

图6是1个波形下各个波纹幅值的传递误差曲线图；

图7是1.5个波形下各个波纹幅值的传递误差曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，所示的变速器斜齿轮的设计方法，其包括如下步骤：

S1，基于产品设计任务书形成若干组斜齿轮初始参数组合数据，具体为：根据设计任务书提供的变速器中心距、各挡齿轮副的速比以及设定的各个斜齿轮的螺旋角、压力角、法向模数、齿数、齿宽、变位系数、侧隙、齿廓倒角、齿顶倒角、加工余量，采用Romax软件建立变速器模型，从该变速器模型上得到各挡齿轮副的重合度数据。

采用Romax软件，在各个斜齿轮的螺旋角的调整范围内、压力角的调整范围内、齿宽的调整范围内、法向模数的调整范围内、各挡齿轮副的速比的调整范围内，调整变速器模型中各个斜齿轮的螺旋角和/或压力角和/或齿宽和/或法向模数和/或各挡齿轮副的速比，得到并保存若干组齿轮副组合以及对应的重合度数据，即形成若干组斜齿轮初始参数组合数据。

S2，采用Romax软件，根据重合度约束条件，对S1形成的若干组斜齿轮初始参数组合数据进行筛选，满足重合度约束条件的斜齿轮初始参数组合通过约束条件筛选，采用Romax软件中的FE求解器进行有限元法求解，计算通过约束条件筛选的所有斜齿轮初始参数组合的传递误差。评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则初步确定斜齿轮参数组合，进入S3，若否，则返回S1。

其中各个阶次齿轮谐波的重合度约束条件参见表1，各阶次齿轮谐波的传递误差设定要求参见表2。

表1各个阶次齿轮谐波的重合度约束条件

表2

S3，采用蜗杆砂轮对S2初步确定斜齿轮参数组合的斜齿轮样件进行磨齿，然后进行微观测量，其目的在于读取设备在稳定加工情况下，其固有的磨齿特性产生的齿面波纹特征。测量中，为了便于对波纹细节识别，测量比例尺需满足≥1000：1。测量参数包括误差f_Hβ、齿向形状误差f_fβ、齿形形状误差f_fα、齿形倾斜误差f_Hα、齿向鼓形量C_β、齿形鼓形量C_α、周节累积误差F_p、齿圈径向跳动误差F_r。

微观测量主要包括以下两个步骤：①随机抽取齿轮圆周上任意三个齿进行微观测量，为了避免相邻齿出现，且尽量按齿轮圆周等距测量三个齿；②在已进行微观测量的三个齿中，随机选取一个齿，对其齿向、齿形方向分别进行齿形三截面计量，所述齿形三截面指的是：斜齿轮曲面沿齿形方向，从齿顶到齿根画三条平行线，三条线上的齿形计量结果为齿形三截面。

评估测量参数是否满足设计要求，若是，则进入S4，若否，则重新进行磨齿，具体为：保证误差f_Hβ、齿向形状误差f_fβ、齿形形状误差f_fα、齿形倾斜误差f_Hα、齿向鼓形量C_β、齿形鼓形量C_α、周节累积误差F_p、齿圈径向跳动误差F_r均满足工艺要求，例如：齿形形状误差f_fα≤7.5um，齿形鼓形量C_α≤5.0um，按各主机厂自行标准确定，且一致性需标准要求为≤11，所述一致性包括异齿一致性与同齿一致性，例如：同一个齿齿向三截面的齿向形状误差f_fβ的计量数值分别为-5um、6um、8um，则同齿一致性为：8um-(-5um)＝13um，不满足要求。若评估测量参数均满足设计要求，零部件成品满足图纸要求，即零件实际参数未偏离设计，则进入S4。若否，则重新进行磨齿，进行微观测量，同时按上述标准再次评估。

S4，识别磨齿后的齿面规则纹理的波纹幅值和波形数；由于蜗杆砂轮磨齿工艺造成的规则纹理对倍频影响主要体现在齿形方向，因此我们只需对齿形方向的纹理特征进行识别分析即可。参见图2，由于磨齿后的齿面规则纹理呈三维空间分布，且分布情况复杂，因此我们通过只观察齿形方向情况，参见图3，将三维图谱简化为多条沿齿宽方向叠加的二维齿形波纹曲线，二维齿形波纹曲线中表征齿面纹理情况的三个参数为：齿面波动的幅值f_wa、齿面波动的波长λ_a、齿面波动的方向L_a，而每一条二维齿形波纹曲线即为S3中沿齿形方向的计量结果，同时我们可以参考齿形三截面的数据大致评估齿形波纹在齿向方向的一致性情况。因此，通过评估不同二维齿形波纹曲线和同一齿齿形三截面曲线，即可识别关键的齿形纹理特征。在计量参数中，齿形形状误差f_fα行业定义为：包容实际齿廓的两条与平均齿廓线完全相同的曲线间的距离。在工程实际中，只关心最大波纹对谐波噪音的影响，因此结合波纹幅值定义，可以选取各齿形计量曲线中最大的齿形形状误差f_fα作为波纹幅值最大近似值，即工艺误差最大风险值，进行后续仿真校核。齿轮谐波除了与波纹幅值相关外，还与其对应的波形周期数相关。本本发明采用波形个数来表征波纹幅值对应周期情况，参见图4，定义半个正弦波为0.5波形，1个正弦波形为1.0个波形，依次类推。参见图6，按上述定义在实际计量曲线上进行波形数读取，波纹幅值大于2um的主要包括1、1.5个波形。由于周期越大，对应的谐波激励越低，而通常对低频感知较弱，忍耐度更高。因此，通常对2个波形以内的情况进行分析。

S5，在S2初步确定的斜齿轮参数组合约束下，带入由S4实际计量读取的波纹幅值和波形数，分析计算磨齿齿形波纹影响下二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则以此斜齿轮参数组合作为设计方案，若否，则调整齿形微观修形参数，重复S2至S5。

S6，在S5确定的斜齿轮参数组合约束下，带入S4中出现频次最多的波形数，对此波形数下的不同波纹幅值进行传递误差校核分析，确定波纹幅值控制标准，实现量产阶段产品的关键NVH指标的精准控制。

依据设计的斜齿轮参数组合制作实体样件，依次完成台架试验、整车测试，产品上市前通过整车小批量验证反馈及失效案例检查设计及控制参数，合理审视修订，为后续产品开发提供数据累积及指导。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，基于产品设计任务书形成若干组斜齿轮初始参数组合数据；

S2，以重合度作为约束条件，分析计算得到S1中的若干组斜齿轮初始参数组合数据的一阶次齿轮谐波、二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则初步确定斜齿轮参数组合，进入S3，若否，则返回S1；

S3，采用蜗杆砂轮对S2初步确定斜齿轮参数组合的斜齿轮进行磨齿，然后进行微观测量，并评估测量参数是否满足设计要求，若是，则进入S4，若否，则重新进行磨齿；

S4，识别磨齿后的齿面规则纹理的波纹幅值和波形数；

S5，在S2初步确定的斜齿轮参数组合约束下，带入由S4实际计量读取的波纹幅值和波形数，分析计算磨齿齿形波纹影响下二阶次齿轮谐波、三剂次齿轮谐波的传递误差，评估得到的传递误差是否满足设定要求，若是，则以此斜齿轮参数组合作为设计方案，若否，则调整齿形微观修形参数，重复S2至S5。

2.根据权利要求1所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于：还包括S6，在S5确定的斜齿轮参数组合约束下，带入S4中出现频次最多的波形数，对此波形数下的不同波纹幅值进行校核分析，确定波纹幅值控制标准。

3.根据权利要求1或2所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于，S1具体为：根据设计任务书提供的变速器中心距、各挡齿轮副的速比以及设定的各个斜齿轮的螺旋角、压力角、法向模数、齿数、齿宽、变位系数、侧隙、齿廓倒角、齿顶倒角、加工余量，采用Romax软件建立变速器模型，从该变速器模型上得到各挡齿轮副的重合度数据，

采用Romax软件，在各个斜齿轮的螺旋角的调整范围内、压力角的调整范围内、齿宽的调整范围内、法向模数的调整范围内、各挡齿轮副的速比的调整范围内，调整变速器模型中各个斜齿轮的螺旋角和/或压力角和/或齿宽和/或法向模数和/或各挡齿轮副的速比，得到并保存若干组齿轮副组合以及对应的重合度数据，即形成若干组斜齿轮初始参数组合数据。

4.根据权利要求1或2所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于，S2具体为：采用Romax软件，根据重合度约束条件，对S1形成的若干组斜齿轮初始参数组合数据进行筛选，满足重合度约束条件的斜齿轮初始参数组合通过约束条件筛选，采用Romax软件中的FE求解器进行有限元法求解，计算通过约束条件筛选的所有斜齿轮初始参数组合的传递误差。

5.根据权利要求1或2所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于：S3中的测量参数包括误差、齿向形状误差、齿形形状误差、齿形倾斜误差、齿向鼓形量、齿形鼓形量、周节累积误差、齿圈径向跳动误差。

6.根据权利要求1或2所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于，S2中各阶次齿轮谐波的传递误差设定要求具体为：当斜齿轮用于MT变速器或DCT变速器时，一阶次齿轮谐波的传递误差幅值≤1.0μm，二阶次齿轮谐波和三阶次齿轮谐波的传递误差幅值均≤0.5μm；

当斜齿轮用于混动变速器时，一阶次齿轮谐波的传递误差幅值≤0.8μm，二阶次齿轮谐波和三阶次齿轮谐波的传递误差幅值均≤0.3μm。

7.根据权利要求1或2所述的变速器斜齿轮的设计方法，其特征在于，S4具体为：磨齿后的齿面规则纹理的三维图谱简化为多条沿齿宽方向依次叠加的二维齿形波纹曲线，通过评估不同二维齿形波纹曲线和同一齿的齿形三截面曲线，识别得到磨齿后的齿面规则纹理的波纹幅值和波形数。

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