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电动汽车减速器的设计与效率提升

2019-05-17 21:57:49·  来源：EDC电驱未来  
　
目前电动汽车采用的是单挡两级传动减速器，其NEDC效率是电动汽车在NEDC工况条件下，减速器输入端与输出端的总能量比值。电动汽车NEDC循环工况如图1所示，由启动
 
目前电动汽车采用的是单挡两级传动减速器，其NEDC效率是电动汽车在NEDC工况条件下，减速器输入端与输出端的总能量比值。电动汽车NEDC循环工况如图1所示，由启动、怠速、加速及减速停车等阶段组成。由市区和郊区运转循环组成，市区4个循环，时间195s，郊区为1个循环，时间400s。 纯电动汽车常用等速或NEDC循环工况来评价能耗经济性，而减速器NEDC效率能直接反映电动汽车的经济性指标，故在减速器开发过程中，减速器的效率也将作为重要考察指标之一。
图1 电动汽车NEDC循环工况
1 提高减速器效率的措施
1.1 设计方面
齿轮的宏观参数如分度圆直径d、齿轮的模数z、传动比i、齿宽b、变位系数x，以及齿轮转速n和所使用的轴承类型会减速器的效率产生一定的影响。
1）在齿轮传递的扭矩较小的情况下，齿轮副间的啮合功率损失以滚动摩擦损失为主，滑动摩擦损失为辅，其中滚动摩擦损随着齿轮直径的增大而增大，随着齿轮传递负载的逐渐增加，齿轮副间的滚动摩擦损失也跟着增大。假设传递的扭矩相同，那么直径相对大的齿轮所承受的载荷相对较小，因此滑动摩擦损失比直径小的齿轮相对要小一些。所以，在重载情况下分度圆直径较大的齿轮传动传动效率比直径小的要高。
2）齿轮副间的接触线长也会影响齿轮的效率，在齿轮直径相同的情况下，模数大的齿轮比模数小的齿轮接触线长度长，所引起的滑动损失相对模数小的要多，从而其啮合效率相对较低。
3）若小齿轮直径保持一定，传动比大，大齿轮的直径就大，在低扭矩以滚动摩擦损失为主的情况下，传动比大的效率就低；在重载以滑动摩擦损失为主的情况下，直径大齿轮比小的更容易形成动压油膜，动压油膜会造成齿轮间的滑动摩擦系数减小，从而减小了齿轮间的滑动摩擦损失，提高了齿轮间的啮合效率。但传动比不能过大，否则将会引起齿轮啮合区域的变化反而对提高啮合效率带来不利影响。设计过程中传动比分配要合适。
4）滚动摩擦损失和齿宽成正比。在轻载时，齿宽大则效率低；在重载时，齿宽对效率影响不大。因为大齿宽齿轮单位宽度上的载荷小，滑动损失减小，抵消了齿宽引起的滚动摩擦损失的增加，所以在重载时齿宽增大，效率略有提高。
另外，在油浴润滑时，齿宽对搅油损失有明显的影响，齿宽越大则搅油损失越大。
5）轴承的动力损失与其平均直径
对于同类型的轴承，其重载系列比轻载系列、宽系列比窄系列的轴承摩擦损失大，相同直径的球轴承比滚子轴承损失小。在高转速工况下，轴承损失在整个损失中所占的比例随轴承直径的增大而增大。设计减速器时，为提高其效率，应充分考虑全面。
1.2 制造方面的措施
齿轮加工后其表面的粗糙度会齿轮的润滑造成一定影响，同时也影响到齿轮副间摩擦系数的大小。齿轮各种加工方法、热处理和表面处理，都会对齿轮的表明产生影响，且摩擦系数和表面的都会不同。为了提高减速器效率可以采用适当的热处理及加工工艺，另外齿轮表面渗碳层的深度对磨齿有影响，对齿轮啮合时的变形也有影响，从而也会引起其润滑状态变化。可见，齿轮的热处理和表面特殊处理对提高齿轮传动的效率都是有效的。
1.3 润滑方面的措施
在啮合损失最小的前提下，应尽量选用粘度较低的润滑油，达到减少搅油损失的目的。给油量越大，损失扭矩也越大，但给油量太小，又可能引起润滑不良现象，导致啮合损失增加。
可见，从润滑方面提高减速器效率应考虑以下几点：
1）润滑油粘度的合理选用。高速轻载传动情况下，尽量选用粘度低的润滑油从而达到减少搅油损失的目的；而重载时，则需要选用粘度高的润滑油以便在齿轮啮合副间形成油膜达到如何的目的。一般为使啮合损失最小应尽量选用粘度较小的润滑油。
2）选择合理的齿轮参数。在保证齿轮强度的条件下，尽量减小节圆直径，降低节线速度，减少搅油损失。
3）准确控制给油量，在保证润滑充分的条件下，给油量应尽可能小。
2 减速器设计
2.1 传动比计算
根据整车的性能要求，减速器的最大扭矩为350Nm，传动比9.1，最高转速12000rpm，单档两级结构。按等强度原理初步分配两级减速器传动比，即：
2.2 中心距确定
根据最大输入扭矩，可按以下公式初定一级传动中心距：
式中：A—减速器中心，mm；
KA—中心距系数，乘用车：KA=8.9～9.3；
Temax—电机最大输入扭矩，Nm；
i1—变速器一级传动减速比；
ηg—减速器传动效率。
对于一级传动，其中心距：
对于二级传动，其中心距：
2.3 箱体内部轮廓确定
箱体内部轮廓根据一级传动大齿轮、二级传动大齿轮定径确定，箱体内部与齿顶间隙≥6mm，一级传动大齿轮分度圆直径d12。
二级传动大齿轮分度圆直径d22
2.4 减速器结构
设计的减速器结构如图2所示，主要由箱体、输入轴组件、中间轴组件及差速器组件构成。
图2 电动汽车减速器结构
3 高效率减速器的箱体结构
减速器的箱体结构如图3所示，为了进一步提升减速器的效率，在箱体内部空间增加适当的挡油筋，进一步缩小内部容积空间，改进后的减速器箱体结构如图4所示。同时将国产轴承改为进口轴承，将高粘度油品改为同牌号低粘度油品并减少油量。
图3 优化前减速器箱体结构
图4 优化后减速器箱体结构
将设计完成后的减速器样机安装在在台架上进行效率测试，如图5所示。减速器加注规定量的润滑油，试验过程中油温控制一定的油温，按一定的工况进行试验，测得的效率Map图如图6所示，从效率Map中的数据分析可以看出，改进后减速器比改进前的NEDC效率得到了明显的提升。
图5 减速器效率测试
图6 减速器效率Map图
4 结论
（1）在电动汽车减速器的设计过程中，根据输入扭矩，需要先确定轴系三角形，确定中心距后；根据中心距确定一级大齿轮、二级大齿轮的顶径，从而确定减速器的外包络尺寸。
（2）减速器箱体内部结构对减速器效率有明显的影响，设计过程中合理设置一些筋结构，缩小了减速器的内部容积空间，减小减速器润滑油油用量，降低搅油损失，对提高减速器的效率效果明显。
（3）减速器润滑油的油品粘度对减速器的效率也会产生明显的影响。实验过程中，在加油量和油品牌号相同的情况下，测试了两种不同粘度的油品，实验表明，粘度较低油品对减速器的效率提升效果优于粘度较高的油品。
（4）本文在原设计的减速器箱体上进行了结构的改进，更换了进口轴承，减速器的润滑油油量减少了0.6升，采用低粘度油品，并对其进行了台架效率测试，从测试结果可以看出，减速器的效率提明显，提升到了 95.8%，超过了国内先进水平。
 
 
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