CN112613217B - 一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电驱动系统减速器技术领域，公开了一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其包括：S1、创建电驱系统各功能模型的子模型：创建材料模型、轴齿系统模型、齿轮系统模型、差速器系统模型、轴承系统模型、壳体及电机定子系统模型、电机转子系统模型、虚拟传感器系统模型、载荷系统模型及工作环境系统模型；S2、将各个子模型按照电驱系统的装配要求进行集成，以形成电驱系统仿真模型。该电驱系统仿真模型采用各个子系统模型集成而成，各个子系统的搭建精度高、计算效率高，提高了电驱系统的精度和计算效率，使其仿真分析迭代周期较短，缩短了变速器的研发周期，降低了研发成本。

Description

一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法

技术领域

本发明涉及电驱动系统减速器技术领域，尤其涉及一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法。

背景技术

电驱系统减速器轴齿作为核心传动零部件，其可靠性、NVH性能和效率直接影响整车使用性能及品质。轴齿性能的核心在轴齿关键参数设计以及其可靠性、NVH和效率等性能的精确设计开发。

目前轴齿性能仿真主要依靠有限元算法，有限元无法精确模拟齿轮齿形建模，齿轮啮合性能仿真分析结果精确度差，且在减速器总成级建模方面存在很多不足，另外受限于有限元计算效率的问题，齿轮参数设计优化时参数设计及仿真分析迭代周期太长。

因此，亟需一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其可以解决精度差、效率低和周期长的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，包括如下步骤：

S1、创建电驱系统各功能模型的子模型：创建材料模型、轴齿系统模型、齿轮系统模型、差速器系统模型、轴承系统模型、壳体及电机定子系统模型、电机转子系统模型、虚拟传感器系统模型、载荷系统模型及工作环境系统模型；

S2、将各个子模型按照电驱系统的装配要求进行集成，以形成电驱系统仿真模型。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建材料模型包括：

S111、创建轴材料性能模型；

S112、创建齿轮材料性能模型。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建轴齿系统模型包括：

S121、根据齿轮轴的结构尺寸参数创建轴的初步模型，并关联材料性能模型，根据轴的初步模型创建轴的有限元模型，其中轴包括输入轴、中间轴和输出轴；

S122、创建齿轮轮辐及驻车棘轮的初步模型，并创建轮辐的有限元模型；

S123、创建花键参数模型、滚针轴承模型、概念同步器模型、轴齿配合关系模型；

S124、根据轴相对整车电驱系统布置的空间位置调整各轴位置，将齿轮轮辐通过花键、滚针轴承和轴齿配合关系装配到轴上，将概念同步器模型装配到轴及轮辐模型上，并用轴和轮辐的有限元模型替换轴和轮辐的初步模型。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建齿轮系统模型包括：

S131、创建齿轮的宏观参数齿形模型，并关联材料模型，并创建齿形的有限元模型；

S132、创建齿轮的微观修形参数模型；

S133、创建齿形公差模型；

S134、创建齿轮加工刀具参数，用于模拟齿轮加工工艺。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建差速器系统模型包括：

S141、创建差速器壳体的初步模型，并创建差速器壳体的有限元模型；

S142、创建概念行星架模型，并将其装配到差速器壳体模型上；

S143、创建差速器销轴与概念行星架连接部分的模型，并将其与概念行星架连接；

S144、创建销轴模型、行星齿轮模型和半轴齿轮模型，将销轴装配到差速器销轴与概念行星架连接部分的模型上；

S145、创建半轴模型；

S146、创建轴向间隙轴承模型和径向间隙轴承模型；

S147、使用轴向间隙轴承和径向间隙轴承将行星轮与销轴、行星轮与差速器壳体、半轴齿轮与差速器壳体装配连接；

S148、使用差速器壳体的有限元模型替换差速器壳体的初建模型，并与行星架装配。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建轴承系统模型包括：

S151、创建主支撑轴承模型；

步骤S1中创建壳体及电机定子系统模型包括：

S161、创建减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三位装配模型；

S162、基于减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三维装配模型，创建有限元模型，并设置装配关系；

S163、在有限元模型中，创建轴承支撑位置凝聚节点，在电机定子齿节圆直径处创建凝聚节点。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建电机转子系统模型包括：

S171、创建电机转子轴模型；

S172、创建电机转子轴的输出花键详细模型，并将花键装配到电机转子轴相应位置。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，步骤S1中创建虚拟传感器系统模型包括：

S181、创建虚拟传感器模型，用于采集振动加速度和振动位移；

步骤S1中创建载荷系统模型包括：

S191、创建电机输入功率载荷模型；

S192、创建半轴负载模型；

步骤S1中创建工作环境系统模型包括：

S1101、创建润滑环境模型；

S1102、设置减速器总成环境温度。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、将齿轮系统模型装配到轴齿系统和差速器系统模型上，并调整好轴向相对位置；

S22、将电机转子系统模型通过花键连接装配到输入轴上，并调整好轴向相对位置；

S23、将轴承系统模型中各轴承装配到齿轮轴和电机转子轴的支撑位置，并设置轴承预紧方式、预紧量和轴承内外圈装配公差。

作为一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的优选技术方案，所述步骤S2在步骤S23之后还包括如下步骤：

S24、将电机输入功率载荷装配到电机转子上，半轴负载装配到半轴上；

S25、将壳体及电机定子系统模型与轴齿系统模型和电机转子系统模型通过主支撑轴承和电机输入功率载荷模型装配连接；

S26、将虚拟传感器模型装配指定的系统模型信号采集位置。

本发明的有益效果：

该电驱系统仿真模型采用各个子系统模型集成而成，各个子系统的搭建精度高、计算效率高，提高了电驱系统的精度和计算效率，使其仿真分析迭代周期较短，缩短了变速器的研发周期，降低了研发成本。

附图说明

图1是本发明提供电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例公开了一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其包括如下步骤：

S1、创建电驱系统各功能模型的子模型：创建材料模型、轴齿系统模型、齿轮系统模型、差速器系统模型、轴承系统模型、壳体及电机定子系统模型、电机转子系统模型、虚拟传感器系统模型、载荷系统模型及工作环境系统模型；

S2、将各个子模型按照电驱系统的各个功能模型的装配要求进行集成，以形成电驱系统仿真模型。

具体地，创建材料模型包括：

S111、创建轴材料性能模型，其包括材料的S-N曲线、弹性模量、泊松比等。

S112、创建齿轮材料性能模型，其包括材料的S-N曲线、弹性模量、泊松比等。

创建轴齿系统模型包括：

S121、根据齿轮轴的结构尺寸参数创建轴的初步模型，并关联材料性能模型，根据轴的初步模型创建轴的有限元模型。具体地，根据齿轮轴的结构尺寸参数在MASTA软件建立轴的二维模型，以创建轴的详细三维模型，也即轴的初步模型。其中轴包括输入轴、中间轴和输出轴。轴的初步模型包括轴的径向和轴向尺寸、润滑油孔和退刀槽等结构，并设置关联材料性能模型，具体与轴材料性能模型相关联。根据轴的详细三维模型通过有限元软件创建轴的有限元模型，设置外部连接凝聚节点，并计算其刚度矩阵、质量矩阵和模态频率等。

S122、创建齿轮轮辐及驻车棘轮的初步模型，并创建轮辐的有限元模型。具体地，创建齿轮轮辐及驻车棘轮的二维模型，以创建齿轮轮辐及驻车棘轮的详细三维模型，也即齿轮轮辐及驻车棘轮的初步模型。齿轮轮辐及驻车棘轮的初步模型包括轮辐的详细结构参数，通过有限元软件建立详细的轮辐有限元模型，设置外部连接位置凝聚节点，并计算出其刚度矩阵、质量矩阵和模态频率等。

S123、创建详细的花键参数模型、滚针轴承模型、概念同步器模型、轴齿配合关系模型。其中，详细的花键参数模型包括花键齿数、模数、变位系数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿厚和配合长度等。滚针轴承模型包括滚子内外直径和滚子列数等。概念同步器模型用于模拟功率流的结合和切断。轴齿配合关系模型包括配合长度、过盈配合、过渡配合和间隙配合等配合参数。

S124、根据轴相对整车电驱系统布置的空间位置调整各轴位置，将齿轮轮辐通过花键、滚针轴承和轴齿配合关系装配到轴上，将概念同步器模型装配到轴及轮辐模型上，并用轴和轮辐的有限元模型替换轴和轮辐的初步模型。

创建齿轮系统模型包括：

S131、创建齿轮的宏观参数齿形模型，并关联材料模型，并创建齿形的有限元模型。具体地，齿轮的宏观参数齿形模型包括齿数、模数、压力角、螺旋角、变位系数、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、齿顶齿厚、齿顶倒角、齿厚公差、齿厚及侧隙等，并设置关联材料模型，具体与齿轮材料性能模型相关联，并通过有限元软件创建集成齿形的有限元模型。

S132、创建齿轮的微观修形参数模型，其包括齿形鼓形、齿向鼓形、鼓形起鼓范围、齿顶修缘量、齿根修缘量、螺旋线倾斜修正量、齿形线倾斜修正量和齿面扭曲量等。

S133、创建齿形公差模型，其包括齿形制造精度等级及制造误差控制项。

S134、创建齿轮加工刀具参数，其包括滚刀和磨齿的刀具详细参数，用于模拟齿轮加工工艺。

创建差速器系统模型包括：

S141、创建差速器壳体的初步模型，并创建差速器壳体的有限元模型。具体地，创建差速器壳体二维模型，其包括详细的轴承配合外径尺寸、销轴孔位置和直径、内孔直径和行星轮调整垫片配合位置尺寸等。基于此二维模型创建三维模型，即差速器壳体的初步模型，有限元软件根据三维模型创建差速器壳体的有限元模型。在差速器壳体的有限元模型上设置连接件凝聚节点，并计算其刚度矩阵、质量矩阵和模态频率。

S142、创建概念行星架模型，设置行星轮的个数，并将其装配到差速器壳体模型上。

S143、创建差速器销轴与概念行星架连接部分的模型，并将其与概念行星架连接。

S144、创建销轴模型、行星齿轮模型和半轴齿轮模型，包括行星轮个数、齿数、模数、压力角、均载系数等，将销轴装配到差速器销轴与概念行星架连接部分的模型上。

S145、创建半轴模型，具体为左右半轴模型。

S146、创建轴向间隙轴承模型和径向间隙轴承模型；具体地，创建用于模拟轴向调整垫片的轴向间隙轴承，设置轴向刚度、径向刚度和倾斜刚度；创建行星齿轮与销轴配合的径向间隙轴承，并设置轴向刚度、径向刚度和倾斜刚度。

S147、使用轴向间隙轴承和径向间隙轴承将行星轮与销轴、行星轮与差速器壳体、半轴齿轮与差速器壳体装配连接。

S148、使用差速器壳体的有限元模型替换差速器壳体的初建模型，并与行星架装配。

创建轴承系统模型包括：

S151、创建主支撑轴承模型，其包括轴承类型、内外径、轴承宽度、滚子数量、滚子尺寸、静载荷系数和动载荷系数。

创建壳体及电机定子系统模型包括：

S161、创建减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三位装配模型。

S162、基于减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三维装配模型，创建有限元模型，并设置装配关系。

S163、在有限元模型中，创建轴承支撑位置凝聚节点，在电机定子齿节圆直径处创建凝聚节点，用于输入载荷信息，并计算刚度矩阵、质量矩阵和模态频率。

创建电机转子系统模型包括：

S171、创建电机转子轴模型；具体地，基于电机转子的外形轮廓尺寸，创建电机转子轴的二维模型。

S172、创建电机转子轴的输出花键详细模型，并将花键装配到电机转子轴相应位置。

创建虚拟传感器系统模型包括：

S181、创建虚拟传感器模型，用于采集振动加速度和振动位移等信息。

创建载荷系统模型包括：

S191、创建电机输入功率载荷模型，其包括转速、扭矩和时间等信息，并导入电机输出扭矩波动、定子齿径向载荷等信息。

S192、创建半轴负载模型，包括转速、扭矩和时间等信息。

创建工作环境系统模型包括：

S1101、创建润滑环境模型，设置润滑油属性、润滑方式、润滑油清洁度、和油温等。

S1102、设置减速器总成环境温度等信息。

步骤S2包括如下步骤：

S21、将齿轮系统模型装配到轴齿系统和差速器系统模型上，并调整好轴向相对位置；

S22、将电机转子系统模型通过花键连接装配到输入轴上，并调整好轴向相对位置；

S23、将轴承系统模型中各轴承装配到齿轮轴和电机转子轴的支撑位置，并设置轴承预紧方式、预紧量和轴承内外圈装配公差。

S24、将电机输入功率载荷装配到电机转子上，半轴负载装配到半轴上；

S25、将壳体及电机定子系统模型与轴齿系统模型和电机转子系统模型通过主支撑轴承和电机输入功率载荷模型装配连接；

S26、将虚拟传感器模型装配到指定的系统模型信号采集位置，形成电驱系统仿真模型。

该电驱系统仿真模型采用各个子系统模型集成而成，各个子系统的搭建精度高、计算效率高，提高了电驱系统的精度和计算效率，使其仿真分析迭代周期较短，缩短了变速器的研发周期，降低了研发成本。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、创建电驱系统各功能模型的子模型：创建材料模型、轴齿系统模型、齿轮系统模型、差速器系统模型、轴承系统模型、壳体及电机定子系统模型、电机转子系统模型、虚拟传感器系统模型、载荷系统模型及工作环境系统模型；

其中，创建轴齿系统模型包括：

S121、根据齿轮轴的结构尺寸参数创建轴的初步模型，并关联材料性能模型，根据轴的初步模型创建轴的有限元模型，其中轴包括输入轴、中间轴和输出轴；

S122、创建齿轮轮辐及驻车棘轮的初步模型，并创建轮辐的有限元模型；

S123、创建花键参数模型、滚针轴承模型、概念同步器模型、轴齿配合关系模型；

S124、根据轴相对整车电驱系统布置的空间位置调整各轴位置，将齿轮轮辐通过花键、滚针轴承和轴齿配合关系装配到轴上，将概念同步器模型装配到轴及轮辐模型上，并用轴和轮辐的有限元模型替换轴和轮辐的初步模型；

S2、将各个子模型按照电驱系统的装配要求进行集成，以形成电驱系统仿真模型。

2.根据权利要求1所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建材料模型包括：

S111、创建轴材料性能模型；

S112、创建齿轮材料性能模型。

3.根据权利要求1所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建齿轮系统模型包括：

S131、创建齿轮的宏观参数齿形模型，并关联材料模型，并创建齿形的有限元模型；

S132、创建齿轮的微观修形参数模型；

S133、创建齿形公差模型；

S134、创建齿轮加工刀具参数，用于模拟齿轮加工工艺。

4.根据权利要求3所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建差速器系统模型包括：

S141、创建差速器壳体的初步模型，并创建差速器壳体的有限元模型；

S142、创建概念行星架模型，并将其装配到差速器壳体模型上；

S143、创建差速器销轴与概念行星架连接部分的模型，并将其与概念行星架连接；

S144、创建销轴模型、行星齿轮模型和半轴齿轮模型，将销轴装配到差速器销轴与概念行星架连接部分的模型上；

S145、创建半轴模型；

S146、创建轴向间隙轴承模型和径向间隙轴承模型；

S147、使用轴向间隙轴承和径向间隙轴承将行星轮与销轴、行星轮与差速器壳体、半轴齿轮与差速器壳体装配连接；

S148、使用差速器壳体的有限元模型替换差速器壳体的初建模型，并与行星架装配。

5.根据权利要求4所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建轴承系统模型包括：

S151、创建主支撑轴承模型；

步骤S1中创建壳体及电机定子系统模型包括：

S161、创建减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三位装配模型；

S162、基于减速器壳体、轴承盖板、电机壳体、逆变器壳体和电机定子的三维装配模型，创建有限元模型，并设置装配关系；

S163、在有限元模型中，创建轴承支撑位置凝聚节点，在电机定子齿节圆直径处创建凝聚节点。

6.根据权利要求5所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建电机转子系统模型包括：

S171、创建电机转子轴模型；

S172、创建电机转子轴的输出花键详细模型，并将花键装配到电机转子轴相应位置。

7.根据权利要求6所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S1中创建虚拟传感器系统模型包括：

S181、创建虚拟传感器模型，用于采集振动加速度和振动位移；

步骤S1中创建载荷系统模型包括：

S191、创建电机输入功率载荷模型；

S192、创建半轴负载模型；

步骤S1中创建工作环境系统模型包括：

S1101、创建润滑环境模型；

S1102、设置减速器总成环境温度。

8.根据权利要求7所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

S21、将齿轮系统模型装配到轴齿系统和差速器系统模型上，并调整好轴向相对位置；

S22、将电机转子系统模型通过花键连接装配到输入轴上，并调整好轴向相对位置；

S23、将轴承系统模型中各轴承装配到齿轮轴和电机转子轴的支撑位置，并设置轴承预紧方式、预紧量和轴承内外圈装配公差。

9.根据权利要求8所述的电驱系统减速器轴齿性能仿真模型建模方法，其特征在于，步骤S2在步骤S23之后还包括如下步骤：

S24、将电机输入功率载荷装配到电机转子上，半轴负载装配到半轴上；

S25、将壳体及电机定子系统模型与轴齿系统模型和电机转子系统模型通过主支撑轴承和电机输入功率载荷模型装配连接；

S26、将虚拟传感器模型装配指定的系统模型信号采集位置。

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