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純電動乘用汽車減速器的設(shè)計
2021-10-09 20:08:00· 來源：驅(qū)動視界
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)境污染也日益嚴重。降低汽車有害氣體污染物排放量成為全人類的共識，全球各個國家對于二氧化碳的
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)境污染也日益嚴重。降低汽車有害氣體污染物排放量成為全人類的共識，全球各個國家對于二氧化碳的排放量限值日漸收緊，開發(fā)新能源汽車是未來的主要發(fā)展趨勢。
而電動車減速器的發(fā)展也直接推動電動車輛技術(shù)進步，電動車減速器在影響電動車發(fā)展的關(guān)鍵點-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,對新能源汽車減速器的設(shè)計開發(fā)進行研究具有重大的現(xiàn)實意義。
本文在國家大力推動電動汽車的大背景下，簡單探討如何開發(fā)一款滿足整車動力性經(jīng)濟性、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)于在確定電機功率要求120KW的前提下，電動汽車減速器的詳細設(shè)計流程。
一、電動汽車減速器的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀
電動汽車的動力傳動系統(tǒng)性能決定著電動汽車運行性能的好壞，是電動汽車的核心部分，減速器用來降低轉(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，傳遞運動準確可靠，使用維護方便，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)速大扭矩的傳動設(shè)備，把電動機、內(nèi)燃機或者其它高速運轉(zhuǎn)的動力通過減速機的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，普通的減速機也會有幾對相同原理齒輪達到理想的減速效果。
減速器是一種相對精密的機械，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到減速增扭的目的。
速比（也稱傳動比）=電機輸出轉(zhuǎn)數(shù)÷減速機輸出轉(zhuǎn)數(shù)
知道電機功率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和減速機輸出轉(zhuǎn)數(shù)n，求減速機所需配電機功率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；按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器。
圖1. 某減速器圖示
1.1為什么需要減速器？
驅(qū)動電機工作區(qū)（T-N曲線）是評價汽車電機性能一個重要的指標（圖2. 某電機T-N曲線），高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩以及寬廣的恒功率調(diào)速范圍是目前電機設(shè)計者所共同追求的。
跟燃油版汽車同理，匹配減速器可以成倍放大驅(qū)動電機的扭矩，多擋變速箱還會使電機工作在更高效的轉(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)動機與電機的特性曲線對比)。
n=60f/p
E=4.44fKΦ
圖2. 某電機T-N曲線
如果電動汽車沒有減速器的話，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間都是在平路上行駛，如果選大扭矩的電機， 價格會極高，整車性價比的目標就無法達成。
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，對應(yīng)輪速500rpm，現(xiàn)在大部分民用電機，在這個轉(zhuǎn)速區(qū)間并沒有很高的效率，選擇可以使用更高功率電機，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，便是一個低成本的解決方案。
圖3. 某電機與發(fā)動機的特性曲線對比
二、減速器的設(shè)計輸入/輸出和主要工作內(nèi)容
電動汽車減速器在設(shè)計開發(fā)過程中與燃油車手動變速器（MT）大同小異，差別是，電機轉(zhuǎn)速相對于發(fā)動機會高很多，這就對減速器軸的軸承支撐提出了更高的要求，整個設(shè)計開發(fā)要求以及相關(guān)的試驗規(guī)范也有很多可以參考，載荷譜需要重新開發(fā)，具體細節(jié)請見下圖：
圖4. 減速器開發(fā)過程要求
2.1設(shè)計輸入
1)驅(qū)動電機額定功率/kW；
2)驅(qū)動電機峰值功率/kW；
3)驅(qū)動電機額定扭矩/Nm；
4)驅(qū)動電機峰值扭矩/Nm；
5)驅(qū)動電機最高轉(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)計輸入（見下表1，整車參數(shù)列表）；
表1 整車參數(shù)列表
|
參數(shù)
|
符號
|
數(shù)值
|
|
滿載質(zhì)量（kg）
|
M
|
2620
|
|
車輪半徑（m）
|
R
|
0.32
|
|
長/寬/高（mm）
|
L/W/H
|
4460/1720/1875
|
|
正面投影面積（m2）
|
A
|
2.68
|
|
傳動效率
|
ηt
|
95%
|
|
空氣阻力系數(shù)
|
CD
|
0.399
|
|
滾動阻力系數(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)計輸出
1）減速器總體設(shè)計方案；
2）減速器擋位數(shù)；
3）齒輪軸系布置方案；
4）P擋設(shè)計方案；
5）換擋系統(tǒng)設(shè)計方案；
6）潤滑系統(tǒng)設(shè)計方案
7）齒輪軸系設(shè)計計算及強度校核報告；
8）殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核報告；
9）減速器NVH校核報告；
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。
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Max Speed : 15,000 rpm
g）差速器Differential : Bevel gears 錐齒輪
h）換擋機構(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)計間隙；
2)齒輪箱內(nèi)部布置設(shè)計；
3)齒輪軸/殼體/軸承/油封等零部件設(shè)計；
4)CAE分析：齒輪/軸承強度壽命分析、殼體結(jié)構(gòu)分析、油量/潤滑分析、傳遞誤差分析、接觸斑分析、連接強度分析、模態(tài)分析等；
5)減速器開發(fā)程序：具體開發(fā)程序如下圖5所示，減速器開發(fā)過程中需要綜合考慮開發(fā)難度，以及系統(tǒng)匹配開發(fā)的難度要求，同時需要做好技術(shù)資料的積累，為新項目提供技術(shù)基礎(chǔ)。
圖5. 減速器開發(fā)程序
三、關(guān)鍵細節(jié)設(shè)計
3.1 擋位數(shù)的選擇及齒輪軸系的設(shè)計
目前市場上用固定齒比（一擋）減速器的占絕大多數(shù)，二擋減速器鳳毛麟角（僅有長安和長城搭載的舍弗勒、寶馬i8搭載的GKN、保時捷taycan等幾款），但是二擋減速器的優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在最高車速以及能效方面，當然開發(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構(gòu)，液壓驅(qū)動還是電力驅(qū)動，本文不再贅述），同時會伴隨著傳統(tǒng)燃油車的換擋質(zhì)量的問題。
下面就單擋減速器進行說明，主要介紹目前市場上主流的兩個技術(shù)路線——同軸式結(jié)構(gòu)以及三軸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
1）全同軸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計即輸入輸出軸同軸，多采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是有很大的空間優(yōu)勢，便于布置。缺點是設(shè)計方需要擁有行星齒輪機構(gòu)即AT變速器的設(shè)計經(jīng)驗，這在國內(nèi)是寥寥無幾的供應(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，解決了電機的偏載問題，降低了減速器的設(shè)計和工藝門檻，是一種較好的折中方案，典型產(chǎn)品是長城電裝炮皮卡P4電后橋。
3）三軸式結(jié)構(gòu)設(shè)計即采用平行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，此設(shè)計的優(yōu)點是能更大的利用手動變速器的設(shè)計經(jīng)驗以及供應(yīng)鏈資源進行設(shè)計優(yōu)化，缺點是布置空間相對要求高。
圖6. 同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖7. 三軸式結(jié)構(gòu)設(shè)計（兩擋）
各主機廠或者供應(yīng)商可以基于自己的設(shè)計經(jīng)驗以及設(shè)計經(jīng)費，選擇適合自己體系的方案進行，下面以單擋減速器為例進行詳細設(shè)計說明。
3.2 傳動比的選擇
傳動比作為動力系統(tǒng)的重要參數(shù)，其設(shè)計選型一般有兩個原則：
1）電機的轉(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
傳動比的上限應(yīng)與電機的最高轉(zhuǎn)速相匹配，如電機的最高轉(zhuǎn)速為15000rpm，設(shè)計最高車速為180km/h，則可計算出動力系統(tǒng)的最大傳動比。
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的阻力功率為：
功率平衡方程式可簡化為：
由以上公式計算結(jié)果可分析，若電機最大功率給定120KW的情況下，以此可以反推出動力系統(tǒng)的最大傳動比。基于最大車速計算出的最大傳動比和基于電機最大功率計算出的傳動比，兩者取最小值，即為滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的傳動比。
當然，上述只是簡單描述了主要思路，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、加速時間等參數(shù)，先確定驅(qū)動電機功率需求，再通過預(yù)選的驅(qū)動電機效率圖譜及動力輸出特性結(jié)合整車經(jīng)濟車速需求綜合考慮選擇合適的傳動比，這里不再展開詳述。
3.3減速器油封設(shè)計注意事項
電驅(qū)動系統(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)計過程中，除了考慮唇口結(jié)構(gòu)的設(shè)計、唇口溫度的影響，還需要考慮高轉(zhuǎn)速帶來的影響。
3.4 減速器支撐軸承的注意事項
高速軸承需采用高速潤滑脂，這類潤滑脂具有低粘度、適用溫度范圍廣、發(fā)熱量低等特點，可以有效避免在高速運轉(zhuǎn)過程中因產(chǎn)生大量熱量而造成過熱的問題。軸承保持架采用耐高溫、高速的樹脂材料。鋼球采用特殊熱處理的鋼球。
3.5齒輪潤滑油的選擇
選擇潤滑油時需要滿足齒輪軸系以及軸承的潤滑冷卻要求。潤滑時，只要保證在運動接觸表面上有能夠形成油膜的潤滑劑并且達到潤滑油達成理想的工作溫度就可以了。
潤滑油的選擇主要考慮運行環(huán)境、工況以及具體的機械結(jié)構(gòu)來進行選擇，純電動減速器潤滑油可以借用燃油車變速器的潤滑油，如果采用三合一設(shè)計的話就需要單獨考慮電機導(dǎo)熱性以及電氣安全特性要求，這是有別于燃油車的設(shè)計輸入。
汽車電氣化的浪潮正在向我們涌來，潤滑油和添加劑公司必須清醒地認識到該趨勢對潤滑油帶來的全新技術(shù)挑戰(zhàn)。
四、減速器的DV/PV試驗驗證
減速器的DV和PV試驗項目主要分功能性試驗和耐久性試驗，具體試驗項目如下所示，這里僅說明試驗項目，具體試驗規(guī)范各OEM可能存在部分差異，下圖8為減速器性能開發(fā)要求概述：
圖8. 減速器性能開發(fā)要求概述
4.1功能試驗主要包含：溫升試驗、通氣試驗、效率試驗、潤滑試驗、密封試驗、靜強度試驗、臺架NVH測試等；
4.2耐久試驗包含：高速耐久試驗、總成耐久試驗、差速器耐久試驗、差速器打滑試驗、同步器耐久等。
4.2.1靜扭強度
靜扭強度后備系數(shù)K1應(yīng)不小于3。系數(shù)K1的計算公式如下：
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)動機最大扭矩（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)計要求的規(guī)定，同時預(yù)留安全系數(shù)。在未達到規(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)生下列任何一種疵病：
1）輪齒斷裂；
2）齒面點蝕（單齒面積超過4mm2或深度超過0.5mm的點蝕）；
3）軸承燒損、嚴重卡滯。
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%之間建議試驗中重點關(guān)注，80%以上軸承存在較大風(fēng)險建議重新選型；
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：無印痕截斷；
5）如有駐車，一般還需要增加：駐車耐久試驗，drop in speed試驗，整車駐車試驗；
6）如多擋，還需要增加換擋試驗。
圖9 .Romax軟件分析
五、結(jié)束語
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)計經(jīng)驗以及供應(yīng)鏈可以直接拿來使用，包括變速器技術(shù)人才面臨失業(yè)風(fēng)險的情況下，可以考慮減速器方向。
減速器目前的發(fā)展趨勢為兩擋甚至多擋的設(shè)計方案，在做方案選擇時除考慮整車性能以外，還需要綜合考慮系統(tǒng)成本、電機以及變速器尺寸、變速器資源以及變速器開發(fā)難度等因素。
目前的發(fā)展趨勢是電機、減速器和電機控制器的三合一，所以開發(fā)過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降底后續(xù)開發(fā)或者改款產(chǎn)品的成本。
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