纯电动车差速器异响研究

摘要: 纯电动汽车省去发动机, 其 NVH 显得异常重要。本文以某纯电动汽车差速器异响作为研究对象, 基于差速器的结构和工作原理来分析产生 NVH 的影响因素, 并提出了改进措施。结合整车的实际评价, 验证了改善措施的可行性, 并应用于实际量产车型, 效果显著。

关键词: 纯电动汽车; NVH; 差速器

0 引言

为缓解环境恶化, 与世界共建文明生态, 我国提出了在 2030 年前实现 “碳达峰”、 在 2060 年前实现 “碳中和” 的目标。在国家政策驱动、 技术路线、 进入门槛、消费环境的多重驱动下, 预计 2025 年, 新能源汽车将会占汽车总量的 20%以上, 因此当前以纯电动汽车作为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向。纯电动汽车的结构主要包括电源系统、 驱动电机系统、 整车控制器和辅助系统等。动力电池输出电能, 通过电机控制器驱动电机运转产生动力, 再通过减速机构, 将动力传给驱动车轮, 促使电动汽车行驶。由于纯电动汽车省去发动机, 其 NVH 性能显得异常重要。本文针对某款纯电动汽车在平坦路面, 以车速 10 ~15 km/ h 行驶, 在整车 360°转弯、 油门 50%开度时, 其差速器出现感知异响问题。通过分析, 找到了改善措施, 从而解决了异响问题。

1 差速器的工作原理

差速器由差速器壳体、 半轴齿轮、 行星齿轮、 从动锥齿轮、 轴承、 调整垫片等组成, 如图 1 所示。

如图 2 所示, 当车辆直线行驶时, 动力通过环形齿轮传递到行星齿轮, 由于两侧驱动轮受到的阻力相同,行星齿轮不发生自转, 通过半轴把动力传到两侧车轮,即相当于刚性连接, 两侧车轮转速相等。

如图 3 所示, 当车辆转弯行驶时, 左右车轮受到的阻力不一样, 这时行星齿轮绕着半轴公转同时自转, 从而吸收阻力差, 使车轮能够以不同的速度旋转。

2 NVH 影响因素分析

从差速器的结构和工作原理来看, 产生 NVH 的来源可能涉及差速器、 半轴、 转向系统、 整车布置等多个方面。差速器本体产生异响的原因主要有: 轴承、 半轴齿轮轴径、 十字轴轴颈、 差壳、 齿轮键槽之间的配合间隙、 啮合间隙等。同时摩擦片的材料、 摩擦片的硬度、热处理方式、 油品的摩擦特性等。本文主要从摩擦的角度进行阐述如何改善 NVH。摩擦因数计算公式为:

式中: μ 为摩擦因数; T 为摩擦扭矩, N·mm; n 为摩擦片数目; r 为平均摩擦有效半径, mm; p 为作用在摩擦片面上压力, kPa; A 为有效摩擦面面积, mm2。首先结合公式及理论, 改善摩擦效果可以降低摩擦扭矩、 提高摩擦片数目、 提高均摩擦有效半径, 提高作用在摩擦面上的压力。上述措施都涉及硬件结构的调整或优化, 在设计锁定的条件下去更 改 硬 件 结 构 比 较困难。为进一步改善 NVH 主要从侧面去改善摩擦条件,比如摩擦片的材料 (65Mn)、 摩擦片的热处理方式 (氮化或者涂层方式)[1]、 处于摩擦中的油液 (油液的黏度、油液的摩擦特性)、 差速器的承载能力以及差速器与整车的匹配等。所用油品的黏温特性曲线如图 4 所示, 摩擦因数与滑动速率的变化曲线如图 5 所示。

油品中对于动摩擦和低速摩擦起作用的组分是不同的: 控制动摩擦以分散剂为主, 控制低速摩擦和静摩擦则以有机摩擦改进剂或清净剂为主。为了满足摩擦特性, 一是采用摩擦改进剂的调配, 二是采用性能更好的摩擦改进剂, 形成一种相对较弱的键, 产生物理或化学吸附。有机摩擦改进剂为含磷、 含氮和含硼长链化合物, 其基本结构为 P-L-A, 其中 P 为极性基团, A 为长链脂肪烃[1]。加入的这些摩擦改进剂主要是为了降低钢对钢的低速摩擦因数[2]。摩擦改进剂分子极性越强、 吸附膜厚度及强度越大, 越有利于 EVF ( electrical vehiclefluid) 保持其特有的摩擦特性, 有利于 EVF 的静摩擦因数的减小和保持动摩擦因数基本不变。本文涉及相对速度差很小的钢对钢摩擦, 根据异响的条件, 控制转速差在低转范围内。所采取的措施为: 在保持油品理化特性不变的情况下, 增加了 0. 25%的摩擦改进剂的剂量。原油品和改进油品的摩擦特性对比如图 6 所示。

在制造摩擦材料时, 需要保证摩擦部件中大量的能量能够在短时间尽可能转变为热能, 同时要保证摩擦材料经过多次摩擦而没有大的损伤以及有合适使用寿命和工作的平顺性等。差速器的摩擦片材料一般选用 65Mn、DC01 等。此外摩擦材料的热处理方式在一定程度上影响着钢表面的磨损和摩擦因数, 当前用得比较多的是氮化处理和涂层处理[2]。

3 试验验证

NVH 主观评价指标见表 1。

对不同的改善方式进行了 NVH 主观评价的指标,结果如图 7 所示。

对耐久之后的油品分别在整车和台架上进行了 NVH评价和摩擦因数测试。耐久之后的油品较好地满足整车NVH 的条件下, 摩擦因数较新油仅降低了 9%左右, 如图 8 所示。

所采取 措 施 现 已 应 用 于 相 应 的 在 产 车 型, 效 果显著。

4 结束语

本文将以市场上某纯电动汽车差速器异响作为研究对象, 基于差速器的结构和原理来分析产生异响的原因, 找到可行的改善措施, 成功验证了技术方案的可行性, 并已应用于实际量产车型, 为新能源汽车电驱动系统的开发提供有利条件。

作者：刘芳, 王健, 葛海龙作者单位：上海汽车集团股份有限公司技术中心, 上海 200041

来源：汽车零部件报