基于某软件的轮边电机桥齿轮设计及优化

储锋，丁炜琦，张辉，冯泽功

（陕西汉德车桥有限责任公司，陕西 西安 710201）

基于某软件的轮边电机桥齿轮设计及优化

储锋，丁炜琦，张辉，冯泽功

（陕西汉德车桥有限责任公司，陕西 西安 710201）

市场上12米电动客车驱动系统大多采用市场现有成熟资源，其车桥匹配采用传统13t客车后驱动桥。其特点为转速低、扭矩大。设计轮边电机桥需求一种匹配高速电机的减速齿轮，但与传统13t客车后驱动桥齿轮差别很大。研究讲述使用某齿轮设计软件对高速齿轮的设计和优化。

轮边电机桥；减速齿轮

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-09-03

引言

市场上常见12m电动公交车动力系统与轮边电机驱动桥匹配参数对比如下表：

表1 12米电动公交车驱动系统方案对比

通过对比可得，轮边电机一级减速齿轮的转速是传统车桥的2.4倍。高转速齿轮在满足强度的基础上，必须关注对减速箱的噪音指标。本文重点讲述通过某齿轮设计软件计算轮边电机减速箱一级减速齿轮的设计优化。

1、设计输入载荷谱的确定

参考常规电动公交车运营数据，将电机工况归纳总结为如下七个典型工况：全油门起步、中扭矩工况、中低扭矩工况、小扭矩工况、高速工况、再生制动工况、倒车工况。

2、齿轮设计优化

将电机工况频谱谱作为一级减速齿轮的输入载荷；齿轮使用寿命按照B10寿命80万公里进行设计，取1.5倍系数；齿轮材料参数按照 ISO 6336-5 图9/10 MQ质量等级。采用某齿轮设计软件对圆柱齿轮进行初步设计。部分参数如表2。

齿轮强度方面：初步校核，齿轮齿根弯曲安全系数、齿面接触安全系数、齿面胶合安全系数均满足设计要求。从分项计算看，以下两方面需要进行优化：

表2 齿轮初步设计参数

（1）齿面啮合瞬时温度较高。齿面接触温度分布如图1，齿宽方向80%区域啮出点瞬时温度大于250℃，达到了低温回火的温度，尤其是齿面啮出时最高温度达到324℃。对于高转速齿轮来说需要适当降低齿面啮合温度，以免对减速箱油温及齿面组织形成不利的影响。造成啮出齿面温度高主要有两方面原因：

图1 齿轮齿面接触温度分布图

①齿面滑移速度大。当输入转速n=6000rpm时，最大滑移速度达到7.143m/s，是啮出位置齿面温度高的主要原因。主、被动圆柱齿轮齿面滑移分布如图2、图3；由图可知，可通过适当调整主、被动圆柱齿轮变位系数，使节线位置靠近主动圆柱齿轮齿顶、被动圆柱齿轮齿根。从而减小齿轮啮出时的滑移速度。

图2 主动圆柱轮齿面滑移分布

图3 被动圆柱轮齿面滑移分布

②齿面啮出接触应力过大。从图4齿面应力分布图可知：最大载荷下，齿面啮入、啮出时接触应力均处于较小的水平，因此不需要对齿面接触应力进行优化。

图4 齿轮齿面接触应力分布图

（2）噪音的最优化设计。当前汽车工业圆柱齿轮的经济制造精度为6级，一般推荐线速度不超过18m/s。而本产品受强度及空间结构的限制，线速度为21.2 m/s，超出设计规范17%。为保证整桥噪音达到项目目标，需要将噪音做到最优设计。接触刚度的变化量是衡量齿轮噪音的主要参数之一。因此在满足强度的基础上，需要将主、被动圆柱齿轮接触刚度的变化量做到最优。如图5所示为齿面接触应力、齿根弯曲应力、接触刚度变化量优化出的112中齿轮参数方案。

图5 齿轮优化参数方案

结合齿面温度与接触刚度变化量的优化，优化后齿轮参数如表3所示。

齿面胶合安全系数达到3.08，提升6.49%；齿面温度分布图如图6所示，温度最高点为206.2℃，啮入、啮出时瞬时温度为240℃左右。

齿轮啮合重合度达到2.39，较初始设计增大8.6%；最大输入扭矩情况下，接触刚度变化量为+0.19N/mm/μm，下降83%。

表3 齿轮优化后设计参数

图6 齿轮齿面接触温度分布图

3、结论

因轮边电机驱动桥工况与普通13t后驱动桥差别很大，在齿轮进行设计时，无法通过实际经验对强度、噪音、油温进行评价，本研究通过某齿轮设计软件可以实现对齿轮各个指标参数的优化控制，减小齿轮设计计算的工作量，尤其是针对载荷谱的齿轮设计。同时减少齿轮设计的盲目性，在强度、噪音之间达到精确的平衡设计。

[1] 萨本吉.高速齿轮传动设计.北京:机械工业出版社,1986.

[2] 王知行.齿轮噪音的影响因素及设计.哈尔滨工业大学学报,No. 5.1980.

[3] 徐卫权.一种有效提高齿轮弯曲强度和降低齿轮噪音的方法.齿轮传动.

[4] 赵登利.基于KISSsoft的齿轮修行优化设计.北京:风电技术.

[5] ISO 6336 Calculation of load capacity of spur and helical gears,2003.

Hub Reduction E-drive Axle Gear Design And Optimization Based on Gear Design Software

Chu Feng, Ding Weiqi, Zhang Hui, Feng Zegong
( Shaanxi Hande Axle Co., LTD, Shaanxi Xi'an 710201 )

The powertrain of 12 meter buses on the market always apply the exiting resource, the drive axle is traditional 13 ton bus axle.It, s characteristic is low input rotate speed,large input torque.Now, it, s needed a pair reduction gear to match high speed motor when designing the Hub Reduction E-drive Axle, but it, s different from traditional 13 ton bus axle gear. This research describe how to design and optimit the high speed gears based on Gear Design Software.

rim motor bridge; Reduction gear

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-09-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.004

储锋，就职于陕西汉德车桥有限公司。