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%。可以預(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。
一、兩級(jí)減速器設(shè)計(jì)方案
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。
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：
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。
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。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。
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。
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。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。
二、試驗(yàn)驗(yàn)證
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》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)。
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。
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)。
三、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。