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純電動(dòng)乘用汽車減速器的設(shè)計(jì)

2021-10-09 20:08:00·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，二氧化碳和其他有害氣體的排放導(dǎo)致的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。降低汽車有害氣體污染物排放量成為全人類的共識(shí)，全球各個(gè)國(guó)家對(duì)于二氧化碳的
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，二氧化碳和其他有害氣體的排放導(dǎo)致的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。降低汽車有害氣體污染物排放量成為全人類的共識(shí)，全球各個(gè)國(guó)家對(duì)于二氧化碳的排放量限值日漸收緊，開(kāi)發(fā)新能源汽車是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
而電動(dòng)車減速器的發(fā)展也直接推動(dòng)電動(dòng)車輛技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)車減速器在影響電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)-續(xù)航里程和車輛性能上，能夠起到關(guān)鍵的輔助作用。因此,對(duì)新能源汽車減速器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
本文在國(guó)家大力推動(dòng)電動(dòng)汽車的大背景下，簡(jiǎn)單探討如何開(kāi)發(fā)一款滿足整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性等及批量生產(chǎn)要求的減速器產(chǎn)品。
本文主要是關(guān)于在確定電機(jī)功率要求120KW的前提下，電動(dòng)汽車減速器的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程。
一、電動(dòng)汽車減速器的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀
電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能決定著電動(dòng)汽車運(yùn)行性能的好壞，是電動(dòng)汽車的核心部分，減速器用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。減速器結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，使用維護(hù)方便，可以成批生產(chǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛。
1.1減速器的工作原理
減速器是一種轉(zhuǎn)化低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動(dòng)設(shè)備，把電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或者其它高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過(guò)減速機(jī)的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，普通的減速機(jī)也會(huì)有幾對(duì)相同原理齒輪達(dá)到理想的減速效果。
減速器是一種相對(duì)精密的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩，跟常規(guī)燃油版車型上的變速器一樣達(dá)到減速增扭的目的。
速比（也稱傳動(dòng)比）=電機(jī)輸出轉(zhuǎn)數(shù)÷減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)數(shù)
知道電機(jī)功率P和減速器速比i，減速器半軸輸出端扭矩T如下公式：


知道扭矩T和減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)數(shù)n，求減速機(jī)所需配電機(jī)功率P如下公式：


減速器的種類繁多，乘用車目前多使用單擋齒輪減速器；按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)不同可分為單級(jí)和多級(jí)減速器。


圖1. 某減速器圖示
1.1為什么需要減速器？
驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作區(qū)（T-N曲線）是評(píng)價(jià)汽車電機(jī)性能一個(gè)重要的指標(biāo)（圖2. 某電機(jī)T-N曲線），高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩以及寬廣的恒功率調(diào)速范圍是目前電機(jī)設(shè)計(jì)者所共同追求的。
跟燃油版汽車同理，匹配減速器可以成倍放大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，多擋變速箱還會(huì)使電機(jī)工作在更高效的轉(zhuǎn)速區(qū)間，可以使系統(tǒng)擁有更寬的轉(zhuǎn)速區(qū)間和更大的扭矩(圖3.發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的特性曲線對(duì)比)。
n=60f/p


E=4.44fKΦ


圖2. 某電機(jī)T-N曲線
如果電動(dòng)汽車沒(méi)有減速器的話，輸出到車輪的扭矩太小，尤其是爬坡等需要大扭矩的情況就很難滿足使用要求了。
而日常使用中絕大部分時(shí)間都是在平路上行駛，如果選大扭矩的電機(jī)， 價(jià)格會(huì)極高，整車性價(jià)比的目標(biāo)就無(wú)法達(dá)成。
車輪轉(zhuǎn)速常用區(qū)間是0rpm（起步）到1000rpm（車速 100km/h左右），特別是城市里常有的50km/h的車速，對(duì)應(yīng)輪速500rpm，現(xiàn)在大部分民用電機(jī)，在這個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間并沒(méi)有很高的效率，選擇可以使用更高功率電機(jī)，通常意味著幾倍的成本增加。齒輪箱主要作用是減速和增加扭矩，便是一個(gè)低成本的解決方案。


圖3. 某電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線對(duì)比
二、減速器的設(shè)計(jì)輸入/輸出和主要工作內(nèi)容
電動(dòng)汽車減速器在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中與燃油車手動(dòng)變速器（MT）大同小異，差別是，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)高很多，這就對(duì)減速器軸的軸承支撐提出了更高的要求，整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)要求以及相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范也有很多可以參考，載荷譜需要重新開(kāi)發(fā)，具體細(xì)節(jié)請(qǐng)見(jiàn)下圖：


圖4. 減速器開(kāi)發(fā)過(guò)程要求
2.1設(shè)計(jì)輸入
1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率/kW；
2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率/kW；
3)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定扭矩/Nm；
4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩/Nm；
5)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速/rpm；
6)整車整備質(zhì)量/kg；
7)最高車速要求km/h；
8)整車參數(shù)設(shè)計(jì)輸入（見(jiàn)下表1，整車參數(shù)列表）；
表1 整車參數(shù)列表
參數(shù)
符號(hào)
數(shù)值
滿載質(zhì)量（kg）
M
2620
車輪半徑（m）
R
0.32
長(zhǎng)/寬/高（mm）
L/W/H
4460/1720/1875
正面投影面積（m2）
A
2.68
傳動(dòng)效率
ηt
95%
空氣阻力系數(shù)
CD
0.399
滾動(dòng)阻力系數(shù)
f
0.015
旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)
σ
1.05
重力加速度（m/s2）
g
9.8
2.2設(shè)計(jì)輸出
1）減速器總體設(shè)計(jì)方案；
2）減速器擋位數(shù)；
3）齒輪軸系布置方案；
4）P擋設(shè)計(jì)方案；
5）換擋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；
6）潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
7）齒輪軸系設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核報(bào)告；
8）殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核報(bào)告；
9）減速器NVH校核報(bào)告；
10）繪制總成圖紙以及各零部件的圖紙；
11）差速器半軸齒輪花鍵參數(shù)輸出用于半軸花鍵設(shè)計(jì)。
2.3技術(shù)參數(shù)模板展示Technical product data
a）擋位Number of speeds : 1
b）齒輪級(jí)數(shù)Number of gear stages : 2
c）速比Total gear ratio : i = xxx (速比可調(diào)?)
d）最大輸入扭矩Max Input Torque : xxx Nm
e）最大輸出扭矩Max Output Torque : xxx Nm
f）最大轉(zhuǎn)速M(fèi)ax Speed : 15,000 rpm
g）差速器Differential : Bevel gears 錐齒輪
h）換擋機(jī)構(gòu)Shifting device : No or Yes
i）駐車Parking lock : Option 可選
j）外形尺寸Dimensions (l, h, w) App. Xxx mm, xxx mm, xxx mm
k）質(zhì)量Weight : App. XX kg
l）滑潤(rùn)油Oil filling : BOT350M3 (fill for life) 免換油
2.4主要工作內(nèi)容
1)邊界分析和整車布置分析，確保周邊預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)間隙；
2)齒輪箱內(nèi)部布置設(shè)計(jì)；
3)齒輪軸/殼體/軸承/油封等零部件設(shè)計(jì)；
4)CAE分析：齒輪/軸承強(qiáng)度壽命分析、殼體結(jié)構(gòu)分析、油量/潤(rùn)滑分析、傳遞誤差分析、接觸斑分析、連接強(qiáng)度分析、模態(tài)分析等；
5)減速器開(kāi)發(fā)程序：具體開(kāi)發(fā)程序如下圖5所示，減速器開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要綜合考慮開(kāi)發(fā)難度，以及系統(tǒng)匹配開(kāi)發(fā)的難度要求，同時(shí)需要做好技術(shù)資料的積累，為新項(xiàng)目提供技術(shù)基礎(chǔ)。


圖5. 減速器開(kāi)發(fā)程序
三、關(guān)鍵細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
3.1 擋位數(shù)的選擇及齒輪軸系的設(shè)計(jì)
目前市場(chǎng)上用固定齒比（一擋）減速器的占絕大多數(shù)，二擋減速器鳳毛麟角（僅有長(zhǎng)安和長(zhǎng)城搭載的舍弗勒、寶馬i8搭載的GKN、保時(shí)捷taycan等幾款），但是二擋減速器的優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在最高車速以及能效方面，當(dāng)然開(kāi)發(fā)難度較一擋存在較大的難度，另外就是換擋方式的選擇（同步器換擋還是行星齒輪機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)還是電力驅(qū)動(dòng)，本文不再贅述），同時(shí)會(huì)伴隨著傳統(tǒng)燃油車的換擋質(zhì)量的問(wèn)題。
下面就單擋減速器進(jìn)行說(shuō)明，主要介紹目前市場(chǎng)上主流的兩個(gè)技術(shù)路線——同軸式結(jié)構(gòu)以及三軸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
1）全同軸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即輸入輸出軸同軸，多采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是有很大的空間優(yōu)勢(shì)，便于布置。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)方需要擁有行星齒輪機(jī)構(gòu)即AT變速器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這在國(guó)內(nèi)是寥寥無(wú)幾的供應(yīng)商可以做的。
2）偏置式同軸減速器規(guī)避了行星排的困難，解決了電機(jī)的偏載問(wèn)題，降低了減速器的設(shè)計(jì)和工藝門檻，是一種較好的折中方案，典型產(chǎn)品是長(zhǎng)城電裝炮皮卡P4電后橋。
3）三軸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即采用平行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能更大的利用手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及供應(yīng)鏈資源進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，缺點(diǎn)是布置空間相對(duì)要求高。


圖6. 同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)


圖7. 三軸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（兩擋）
各主機(jī)廠或者供應(yīng)商可以基于自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，選擇適合自己體系的方案進(jìn)行，下面以單擋減速器為例進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明。
3.2 傳動(dòng)比的選擇
傳動(dòng)比作為動(dòng)力系統(tǒng)的重要參數(shù)，其設(shè)計(jì)選型一般有兩個(gè)原則：
1）電機(jī)的轉(zhuǎn)速與速比匹配需要滿足最高車速的要求，如下式所示：
Vmax=0.377nmax×r/It
傳動(dòng)比的上限應(yīng)與電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速相匹配，如電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為15000rpm，設(shè)計(jì)最高車速為180km/h，則可計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比。
2）由功率平衡決定的最高車速，車輛在平直路面上勻速行駛時(shí)的阻力功率為：


功率平衡方程式可簡(jiǎn)化為：


由以上公式計(jì)算結(jié)果可分析，若電機(jī)最大功率給定120KW的情況下，以此可以反推出動(dòng)力系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比?；谧畲筌囁儆?jì)算出的最大傳動(dòng)比和基于電機(jī)最大功率計(jì)算出的傳動(dòng)比，兩者取最小值，即為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的傳動(dòng)比。
當(dāng)然，上述只是簡(jiǎn)單描述了主要思路，具體應(yīng)該根據(jù)整車需求：最大爬坡能力、最高車速、爬坡車速、加速時(shí)間等參數(shù)，先確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求，再通過(guò)預(yù)選的驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率圖譜及動(dòng)力輸出特性結(jié)合整車經(jīng)濟(jì)車速需求綜合考慮選擇合適的傳動(dòng)比，這里不再展開(kāi)詳述。
3.3減速器油封設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的密封零件需要選擇能承受比燃油車更高的轉(zhuǎn)速的油封，油封唇口處的油溫相比于殼體內(nèi)部的油溫大概高出30-50℃，在選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了考慮唇口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、唇口溫度的影響，還需要考慮高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的影響。
3.4 減速器支撐軸承的注意事項(xiàng)
高速軸承需采用高速潤(rùn)滑脂，這類潤(rùn)滑脂具有低粘度、適用溫度范圍廣、發(fā)熱量低等特點(diǎn)，可以有效避免在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因產(chǎn)生大量熱量而造成過(guò)熱的問(wèn)題。軸承保持架采用耐高溫、高速的樹(shù)脂材料。鋼球采用特殊熱處理的鋼球。
3.5齒輪潤(rùn)滑油的選擇
選擇潤(rùn)滑油時(shí)需要滿足齒輪軸系以及軸承的潤(rùn)滑冷卻要求。潤(rùn)滑時(shí)，只要保證在運(yùn)動(dòng)接觸表面上有能夠形成油膜的潤(rùn)滑劑并且達(dá)到潤(rùn)滑油達(dá)成理想的工作溫度就可以了。
潤(rùn)滑油的選擇主要考慮運(yùn)行環(huán)境、工況以及具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行選擇，純電動(dòng)減速器潤(rùn)滑油可以借用燃油車變速器的潤(rùn)滑油，如果采用三合一設(shè)計(jì)的話就需要單獨(dú)考慮電機(jī)導(dǎo)熱性以及電氣安全特性要求，這是有別于燃油車的設(shè)計(jì)輸入。
汽車電氣化的浪潮正在向我們涌來(lái)，潤(rùn)滑油和添加劑公司必須清醒地認(rèn)識(shí)到該趨勢(shì)對(duì)潤(rùn)滑油帶來(lái)的全新技術(shù)挑戰(zhàn)。
四、減速器的DV/PV試驗(yàn)驗(yàn)證
減速器的DV和PV試驗(yàn)項(xiàng)目主要分功能性試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，具體試驗(yàn)項(xiàng)目如下所示，這里僅說(shuō)明試驗(yàn)項(xiàng)目，具體試驗(yàn)規(guī)范各OEM可能存在部分差異，下圖8為減速器性能開(kāi)發(fā)要求概述：


圖8. 減速器性能開(kāi)發(fā)要求概述
4.1功能試驗(yàn)主要包含：溫升試驗(yàn)、通氣試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、潤(rùn)滑試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、臺(tái)架NVH測(cè)試等；
4.2耐久試驗(yàn)包含：高速耐久試驗(yàn)、總成耐久試驗(yàn)、差速器耐久試驗(yàn)、差速器打滑試驗(yàn)、同步器耐久等。
4.2.1靜扭強(qiáng)度
靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)K1應(yīng)不小于3。系數(shù)K1的計(jì)算公式如下：
K1=M／ Memax
式中：M — 變速器靜扭斷裂扭矩（N·m）；
Memax — 變速器所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩（N·m）；
4.2.2同步器壽命（如有的話）
相鄰兩擋間交替換擋，同步器在1.0×10的5次方循環(huán)（僅供參考，不同OEM、不同產(chǎn)品、不同企業(yè)的規(guī)范要求不同）掛擋試驗(yàn)中，任一擋不得出現(xiàn)失效或連續(xù)5次撞擊聲。
4.2.3減速器疲勞壽命
減速器疲勞壽命應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求的規(guī)定，同時(shí)預(yù)留安全系數(shù)。在未達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)之前，主要零件及軸承不允許損壞，齒輪不得產(chǎn)生下列任何一種疵?。?/span>
1）輪齒斷裂；
2）齒面點(diǎn)蝕（單齒面積超過(guò)4mm2或深度超過(guò)0.5mm的點(diǎn)蝕）；
3）軸承燒損、嚴(yán)重卡滯。
4.2.4軸承可靠性要求
1）損傷率小于50%為可靠，損傷率在50%～80%之間建議試驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注，80%以上軸承存在較大風(fēng)險(xiǎn)建議重新選型；
2）錐軸承最大接觸應(yīng)力＜4000Mp；
3）球軸承最大接觸應(yīng)力＜4200Mp；
4）滾子與滾道接觸印痕：無(wú)印痕截?cái)啵?/span>
5）如有駐車，一般還需要增加：駐車耐久試驗(yàn)，drop in speed試驗(yàn)，整車駐車試驗(yàn)；
6）如多擋，還需要增加換擋試驗(yàn)。


圖9 .Romax軟件分析

五、結(jié)束語(yǔ)
減速器是新能源汽車的核心部件之一，傳統(tǒng)燃油車用的變速器很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及供應(yīng)鏈可以直接拿來(lái)使用，包括變速器技術(shù)人才面臨失業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，可以考慮減速器方向。
減速器目前的發(fā)展趨勢(shì)為兩擋甚至多擋的設(shè)計(jì)方案，在做方案選擇時(shí)除考慮整車性能以外，還需要綜合考慮系統(tǒng)成本、電機(jī)以及變速器尺寸、變速器資源以及變速器開(kāi)發(fā)難度等因素。
目前的發(fā)展趨勢(shì)是電機(jī)、減速器和電機(jī)控制器的三合一，所以開(kāi)發(fā)過(guò)程中還需要考慮后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃，是否可以系列化通用以此來(lái)降底后續(xù)開(kāi)發(fā)或者改款產(chǎn)品的成本。
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