純電動(dòng)汽車兩級(jí)減速器齒輪設(shè)計(jì)研究

劉小松 晁雅琴

摘要：采用兩級(jí)平行軸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了某純電動(dòng)汽車減速器，主要從齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)、軸承選用、NVH等方面開展研究，設(shè)計(jì)出符合要求的純電動(dòng)汽車減速器，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；減速器；齒輪

中圖分類號(hào)：U469 ?收稿日期：2023-02-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.009

1 前言

目前，全球的汽車行業(yè)都在大力發(fā)展電動(dòng)化，以美國的特斯拉為例，2022年全球銷量達(dá)131萬輛，同比增長40%；國內(nèi)的新能源汽車銷量占比也在飛速提升，從2020年的5.4%提升到2022年的20%?？梢灶A(yù)見，在未來幾年內(nèi)，純電動(dòng)汽車將會(huì)代替燃油車，成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ摺?/p>

隨著電動(dòng)化的發(fā)展，汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)突破了20 000 r/min，作為扭矩傳遞裝置的減速器，需要滿足高轉(zhuǎn)速及高扭矩的要求；同時(shí)，純電動(dòng)汽車減速器還必須滿足可靠性高和NVH性能好等要求。

為了提高汽車減速器的傳動(dòng)平穩(wěn)性及NVH要求，常規(guī)的圓柱斜齒輪已無法滿足純電動(dòng)汽車的要求，因此，本文將采用細(xì)高齒的設(shè)計(jì)方案，來提高齒輪的承載能力和重合度，實(shí)現(xiàn)高扭且平穩(wěn)的傳動(dòng)。

本文通過對(duì)某款純電動(dòng)汽車兩級(jí)減速器齒輪的設(shè)計(jì)研究，通過增大齒高、微觀修形等方法，計(jì)算校核了減速器的性能，獲得了滿足要求的純電動(dòng)汽車減速器。

2 兩級(jí)減速器設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)流程

純電動(dòng)汽車減速器設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.2 參數(shù)計(jì)算

該純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，峰值扭矩為320 N·m，齒輪轉(zhuǎn)速高、承載大，要求減速器每級(jí)齒輪重合度＞4，TE＜0.25 μm。

齒輪重合度用ε表示，其計(jì)算公式為：

[ε=12π[z1（tanαα1?tanα）±z2（tanαα2?tanα）]]

式中，[αα1]、[αα2]為齒輪1、2的齒頂圓壓力角；α為齒輪嚙合角；[z1]、[z2]為齒輪1、2的齒數(shù)；“＋”號(hào)用于外嚙合，“－”號(hào)用于內(nèi)嚙合[1]。

通過采用細(xì)高齒技術(shù)方案，優(yōu)化齒輪齒廓參數(shù)，可以增加齒輪嚙合重合度，從而提高齒輪承載能力和使用壽命，實(shí)現(xiàn)減振降噪、降低成本的目的[2]。齒輪材料選用滲碳鋼20MnCr5，后期噴丸處理。圖2是減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖，輸入軸為電機(jī)轉(zhuǎn)軸，輸出軸接車輪。

根據(jù)《齒輪設(shè)計(jì)手冊(cè)》，確定齒輪宏觀參數(shù)如表1所示。

從表1中可以看出，重合度都＞4，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 齒輪、軸承校核

本文將采用Romax軟件對(duì)齒輪和軸承進(jìn)行壽命分析及強(qiáng)度校核。在Romax中進(jìn)行齒軸系統(tǒng)建模，添加載荷譜，計(jì)算可得表2的結(jié)果。

從表中可以看出，齒輪接觸安全系數(shù)＞1.1，彎曲安全系數(shù)都＞1.2，滿足壽命和強(qiáng)度要求。

2.4 齒輪微觀修形

齒輪的嚙合強(qiáng)度，除了受到齒輪本身模數(shù)、齒數(shù)、壓力角以及配對(duì)安裝距等宏觀參數(shù)影響外，還受到微觀幾何參數(shù)的影響，其中齒輪修形就是一個(gè)重要的影響因素[3]。齒輪在制造過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，因此需要對(duì)加工好的齒輪進(jìn)行微觀修行來優(yōu)化齒形。采用Romax對(duì)齒輪進(jìn)行修形并比較修形前后齒輪載荷分布情況。

修形前后齒輪單位長度載荷分布情況如圖3～圖6所示。

對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，修形可降低齒面最大載荷，從而提高齒輪接觸及彎曲強(qiáng)度，增加齒輪壽命。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》[4]進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)項(xiàng)目包括靜扭試驗(yàn)、超速性能試驗(yàn)、高速性能試驗(yàn)、NVH試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)方法

將減速器水平安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，半軸另一端接電機(jī)，設(shè)置好工況開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖7所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

所有試驗(yàn)完成后對(duì)減速器進(jìn)行拆解檢驗(yàn)，齒輪無斷裂、無嚴(yán)重點(diǎn)蝕，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)正常，試驗(yàn)合格。

NVH試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，最大噪聲出現(xiàn)在減速器左側(cè)，聲壓級(jí)為80 dB（A）。根據(jù)要求，減速器加載噪聲應(yīng)不大于83 dB（A），試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

以上對(duì)電動(dòng)汽車減速器進(jìn)行了正向設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，通過以上分析研究，可以得出以下結(jié)論：

a.采用細(xì)高齒方案，可以提高齒輪重合度，優(yōu)化變速器的NVH性能。

b.增大齒輪副重合度，可以使傳動(dòng)更加平穩(wěn)。

c.對(duì)齒輪進(jìn)行有效的微觀修形，可以提高齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，從而提高變速器的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]王樹山，劉紅國，楊寶才.基于細(xì)高齒的電動(dòng)汽車減速器設(shè)計(jì)研究[J].Automobile Parts，2021（6）：78-80.

[3]隋景玉，劉均偉，王教友，等.基于Romax的圓柱齒輪微觀修形分析研究[J].汽車工藝師，2021（3）：61-64.

[4]尹夕兵，楊海華，薛理梅，等.純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件[M].北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2015.

作者簡(jiǎn)介：

劉小松，男，1994年生，工程師，研究方向?yàn)檩p型商務(wù)車和乘用車輛動(dòng)力總成。