新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

2019-8-23 13:34 1542 0
简介
【汽车轻量化在线】1.引言由于电池组很重,电动车的重量可能高于内燃机的重量。最近,工程师们对传动齿轮系的聚合物复合材料表现出了浓厚的兴趣。混合材料齿轮由钢齿,钢轮毂区域和纤维增强聚合复合材料组成,它们之 ...

汽车轻量化在线】1.引言

由于电池组很重,电动车的重量可能高于内燃机的重量。最近,工程师们对传动齿轮系的聚合物复合材料表现出了浓厚的兴趣。混合材料齿轮由钢齿,钢轮毂区域和纤维增强聚合复合材料组成,它们之间应用于电动汽车的传动,有望提供多种优势,如:减轻重量,噪音和振动。

本研究的目的是将轻质聚合物复合材料的使用扩展到承受大扭矩的汽车传动齿轮。在这项研究中,我们开发了一种新的层压复合材料,它采用新的湿法成网制造方法,在酚醛树脂中随机铺设长芳纶纤维。为了确保齿轮齿面的疲劳强度和弯曲,钢材应用于混合齿轮的齿和轮毂区域。在轮毂和齿之间径向插入湿法成网的芳纶/酚复合材料,以降低噪音和重量。

使用有限元和边界元方法,进行振动和噪声分析,分别计算纯钢和混合材料齿轮模型的SPL(声压级)。这两个数值结果用于检查汽车传动系统的混合材料传动齿轮在振动和噪声抑制方面是否有效。通过设计优化方法,在不牺牲齿轮强度的情况下计算齿轮径向上的复合区域的最佳尺寸。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

2. 优化设计

为了确定混合齿轮中复合材料的最佳面积,使用有限元模型进行尺寸优化。图2示出了用于汽车变速器的混合斜齿轮的尺寸。复合材料位于图2(a)和(b)中的r2和r3之间,内部和外部部分由钢制成。优化前的初始设计尺寸为r1=18.5mm,r2=21.5mm,r3=34.4mm,r4=36.5mm,r5=41.05mm,w=13.2mm。在混合齿轮设计中,齿区保持钢材料以确保齿的表面和弯曲疲劳。轮毂(或轴)区域也设计有钢,以保持扭矩传递能力。因此,在优先之前,齿轮设计是在径向方向上确定复合区域而不损失所需的齿轮疲劳强度。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

优化后,r2从21.5mm减小到20.7mm,r3从34.4mm增加到34.6mm。在减轻重量方面,混合动力齿轮的最佳设计重量为180.1g,这是350.9g全钢齿轮的51.3%。从图3中可以看出,形成花键齿状锯齿状结构以确保扭矩承载能力。表1列出了用于优化和分析的钢(Scr420HB)和复合材料的必要机械性能。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

3.振动噪声分析

如图1所示,分析程序包括使用有限元法(FEM)的齿轮模态和强制响应分析以及使用边界元法(BEM)的声场分析。输入数据是基本性能参数齿轮的几何形状,材料和齿轮比。输出数据是振动和噪声分析结果,包括动态响应和声压级。最小重量齿轮采用复合材料区域的设计优化设计。

通过FFT(快速傅立叶变换)将在汽车变速器上测量的随时间变化的加速度转换为频域中的力,如图4所示。这些力施加到齿轮齿的接触面上,并且在靠近轴的内部钢毂区域处计算强制振动响应,以便观察在混合齿轮的整个中间复合区域中振动传递是否减小。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

对于两种类型的齿轮-纯钢齿轮和复合齿轮,使用三维有限元分析获得模态形状,其具有相同的几何形状以用于比较目的。纯钢齿轮的第一自然弯曲频率计算为9.773kHz,混合齿轮的第一自然弯曲频率为4.335kHz。发现混合齿轮的其他naural频率的水平小于纯钢齿轮的水平。图5显示了复合混合齿轮的第一弯曲和扭转模式。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

使用LMS Virtual.Lab计算两个齿轮(即钢和混合齿轮)的噪声水平,并进行比较,如图6和图7所示.SPL(声压级)是一个函数噪声压力(p)定义如下:

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

图6显示了在不同转速下在纯钢和部分复合混合齿轮的相同位置计算的SPL(声压级)的比较。与纯钢齿轮相比,复合混合齿轮从齿形聚合物复合区转移到轴上的噪声水平降低了2.64~19.38dB(4.6~43.2%)。

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

图7比较了混合材料齿轮中的加速度水平与转速范围为2,000rpm至3,000rpm的钢制齿轮中的加速度水平。与纯钢齿轮相比,复合材料混合齿轮的振动水平(即加速度)减小了8.8~23.2m/s2(11.9~33.1%)。数值结果表明,聚合物复合材料在汽车变速器中的应用可以在一定程度上有效降低噪声和振动。

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新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

新型钢和塑料复合材料齿轮的轻量化设计和降噪分析

图8~9比较了三种类型齿轮的SPL(声压级)和加速度水平:100%钢制齿轮,未优化和优化的混合齿轮,转速范围为2,000rpm至3,000rpm。与纯钢齿轮相比,经过优化和未优化的混合齿轮的平均SPL分别降低了7.2%(53.2dB)和4.6%(54.7dB),如图7所示。此外,与纯钢齿轮相比,优化和非优化混合齿轮的平均加速度分别降低了15.3%(62.7dB)和12.0%(65.2dB),如图8所示。通过设计优化可以进一步降低SPL和加速度。数值结果表明,聚合物复合材料在汽车传动齿轮上的应用可以在一定程度上有效地降低噪声和振动。

4结论

本研究提出了CAE方法来评估新型钢/复合材料混合齿轮的振动和噪声特性,该混合齿轮由湿法成网芳纶/酚复合材料和用于电动汽车传动的钢材组成。计算并确认了聚合物复合齿轮对振动和噪声降低的影响。作为优化和动态分析的结果,得出以下结论:

(1)在最小重量优化的基础上确定混合齿轮内,外钢件之间的最佳径向长度,复合区域有效地减轻了齿轮轴的振动传递。

(2)在2000rpm到3,000rpm的速度范围内,与相同几何形状的纯钢齿轮相比,混合齿轮的加速度降低了8.8~23.2m/s2(即11.9~33.1%)。

(3)与纯钢齿轮相比,混合齿轮从齿到轴传递的噪声水平降低了2.64~19.38dB(即4.6~43.2%)。

(4)通过设计优化,可以进一步降低SPL和加速度。下一步工作中,研究人员对混合齿轮将采用特别制备的加热模具工艺进行生产及动态测试,以研究降低噪声和振动以及界面疲劳强度。

作者:Hyunwoong Kim, Cheol Kim, Sanghyeon Kim

汽车轻量化产业链翻译整理

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