近年來，細高齒由于具有高承載能力、低振動噪聲的優勢而逐漸成為研究熱點。

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

結果表明，細高齒相對于常規齒齒根彎曲強度提高了27.76%，齒面接觸強度提高了21.93%，重合度提高了16.27%， 傳動誤差降低了43.48%。

近年來，國內越來越多的汽車傳動部件開始使用細高齒。對于細高齒齒輪，目前尚未有統一的標準定義，一般指的是通過調整一項(較大齒頂高系數)或幾項參數(較小壓力角、較小模數 等)而得到的輪齒看起來“細長”的高重合度齒輪。

由于細高齒具有承載能力大、振動噪聲低的優點，在車規級傳動部件中發揮著重要作用。尤其是對于電動車，失去發動機噪聲掩蓋后的超靜音設計需求，更為細高齒提供了廣闊的應用前景。

目前，國內學者對細高齒做了一定研究。徐海軍等以實際開發的電驅橋產品為例，對比研究了細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，對比了標準齒和細高齒的嚙合特性區別。

范士超等研究了細高齒的剛度及最大載荷分擔率的變化規律。潘昱等對細高齒直齒圓柱齒輪溫度場進行了分析并做了試驗驗證。

王樹山等基于細高齒的思路設計了一款電動汽車減速器，并對其進行了性能測試。章翔峰等對細高齒的嚙合剛度及動態特性進行了研究。李發家等推導了細高齒的齒根彎曲應力計算方法。

本文以某款輕型電驅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，通過基于有限元準靜態的齒輪加載接觸分析(Loaded Tooth Contact Analysis, LTCA)，對比研究細高齒和常規齒的嚙合傳動特性，闡述細高齒的優勢。


齒輪副三維建模：

圖1為我司自主開發的新能源輕卡用輕型電驅動橋的主減傳動機構，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han=1.25的細高齒，設計參數見表1。將表1中han改為1，即得到相較于標準齒僅變位之別的常規變位齒輪(本文簡稱常規齒)的設計參數。在Creo中分別建立細高齒齒輪副及常規齒齒輪副的三維模型。



LTCA 模型建立過程：

分別將細高齒齒輪副及常規齒齒輪副的七齒嚙合模型導入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，參考點與齒輪內圈及兩側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：法向設置為“硬接觸”，切向忽略摩擦力。

設置三個后續分析步：

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

在第二個分析步load中，釋放從動輪參考點繞軸線的轉動自由度，同時在該參考點上施加繞軸線的轉矩負載;

在第三個分析步motion中，主動輪參考點上施加繞軸線的角位移，大小為1.2rad，使主動輪在轉矩負載作用下驅動從動輪轉動;將增量步設置為恒定0.01，即將motion分析步均勻劃分為120份。將采用C3D8R單元劃分網格，如圖2所示。

歷史變量輸出中增加主動輪和從動輪的轉角及中間三齒的接觸力;場變量輸出按軟件默認設置。將Nlgoem設置為ON，考慮到幾何非線性效應，選擇隱式、靜力學分析算法進行求解。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行求解。


彎曲應力、接觸應力：

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，細高齒主動輪齒根最大彎曲應力為500.9MPa，如圖3(a)所示


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

細高齒主動輪齒面最大接觸應力為1011MPa，如圖4(a)所示，較常規齒的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力為1900～2000MPa)。


實際重合度：

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的平均值。若已知單對輪齒發生接觸時間為ΔT和相鄰兩對輪齒開始進入嚙合的時間差為Δt，則重合度可以表示為ΔT/Δt。齒輪承載后發生彈性變形會使得實際重合度大于利用公式算得的幾何重合度。從歷史變量輸出結果中提取中間三個輪齒接觸力隨時間的變化數據得到齒面接觸力變化曲線(見圖5)，計算出細高齒和常規齒齒輪副的實際重合度分別為3.43、2.95。細高齒單齒最大嚙合力為12343N，較常規齒的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。但實際嚙合加載后齒輪副不可避免地發生彈性變形，從而產生傳動誤差。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動了Δε1和Δε2的角度，則因彈性變形產生的傳動誤差為Δε2-Δε1.N1/N2。 從歷史變量輸出結果中提取主、從動輪角位移隨時間的變化數據得到傳動誤差隨主動輪轉角的變化曲線，如圖6所示。


由圖6可知，齒輪副的傳動誤差達到10-5數量級，周期性地波動;細高齒齒輪副的傳動誤差峰峰值為0.65×10-5rad，較常規齒齒輪副的1.15×10-5rad降低了43.48%，即細高齒傳動更加平穩。


本文針對我司自主開發的輕卡用輕型電驅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，對比研究了細高齒和常規齒的嚙合傳動特性。

結果表明，相較于常規齒，細高齒的主動輪齒根最大彎曲應力降低了27.76%，齒面最大接觸應力降低了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的特點。通過本文分析，既揭示了細高齒有著常規齒不可比擬的優勢，又驗證了該款電驅橋齒輪副設計的合理性。

參考文獻：略

作者簡介：張金釗(1991-)，男，碩士，工程師，研究方向為新能源商用車研發