淺談純電動汽車變速箱軸承選型要點

李偉

摘 要： 針對純電動汽車與傳統車變速箱結構和運行特性等方面差異，針對性的闡述了純電動汽車變速箱開發過程中軸承的選型要點。為相關設計人員提供有益參考。

關鍵詞： 變速箱；軸承；純電動汽車；新能源

隨著新能源汽車產業的推廣和普及以相關技術的日趨成熟，純電動汽車的研發重點已經從動力性，經濟型逐步向舒適性（NVH），輕量化等方面轉移。作為純電動汽車的關鍵部件--變速箱，在設計過程中也更加注重其噪音水平，結構緊湊度等指標。同時，變速箱動力輸入裝置的變革--即由傳統的發動機改變為電動機，也對變速箱內部傳動部件尤其是軸承的選型開發產生了的深刻影響。本文針對較為常見的前置前驅車輛橫置變速箱內部軸承選型進行討論。

1.軸承結構類型的確定

變速器常用軸承包括深溝球軸承，圓柱滾子軸承，滾針軸承，圓錐滾子軸承等。這些軸承具有各自的特點，需要根據具體應用情況選擇。

1.1輸入軸軸承結構類型

純電動汽車變速箱輸入軸轉速較高，通常峰值轉速可達12000-15000rpm，這一點與傳統車差距較大，傳統車發動機峰值轉速一般低于7000rpm。同時對軸承傳動精度，噪音水平要求較高。所以軸承結構類型以深溝球軸承為主要考慮，深溝球摩擦因數小，極限轉速高，噪音小，成本低。主要用于承受徑向載荷的場合，也能夠承受一定的軸向載荷。 另外，為了改善高轉速下離心力的影響，可選用一些軸承廠家專門為高速運轉設計的采用非金屬保持架的長壽命深溝球軸承。

1.2輸出軸軸承結構類型

傳統車變速箱輸出軸通常采用兩個面對面安裝的圓錐滾子軸承傳動。圓錐滾子軸承雖然承受復合載荷的能力優于深溝球軸承，但由于是分體式軸承，裝配時需要預緊，對裝配質量控制要求很高，在使用過程中，軸承發熱也比較嚴重，通常都要設計專門的油路對其進行強制潤滑。對于純電動汽車來說，為了改善噪音水平，降低軸承發熱以及提高裝配工藝可控性。筆者選型時應優先考慮采用深溝球軸承。需要注意的是，選用深溝球軸承必須對軸向極限載荷進行校核。空間允許的條件下，也可以考慮軸承并聯成組安裝；或通過調整傳動齒輪參數以抵消一部分軸向力等方法改善軸承受載狀況。詳見參考文獻2。

1.3主減速輸出軸軸承結構類型

主減速輸出軸結構，傳遞轉矩，轉速等狀況與傳統車基本相當，可以沿用傳統車方案設計只進行必要的使用壽命校核即可。由于主減速輸出軸軸向載荷較大且難以通過設計使軸向載荷得到分擔或抵消，所以主減速輸出軸軸承類型仍以圓錐滾子軸承為主要考慮，布置方式上為2個軸承面對面布置，由于兩個軸承的軸向載荷不同，所以兩個軸承的規格可以不同，但從成本，裝配質量控制等方面考慮，規格也可以相同。

2.軸承尺寸的確定

軸承的尺寸包括內徑（d），外徑（D），寬度（B）等，其中內徑是首先確定的且是后續選型的主要依據。其他外形尺寸則需要根據載荷，轉速，軸系中心距等參數綜合確定。

2.1輸入軸軸承尺寸的確定

首先要根據變速箱輸入峰值轉矩確定輸入軸最細處花鍵部分直徑，一般按照下面的經驗公式汽車變速箱輸入軸花鍵部分直徑d（小徑）可按下式初選：

式中：K=4.0-4.6，經驗系數；Memax--驅動電機輸出峰值轉矩；

考慮到軸承的裝配性，軸承內徑尺寸應大于上述尺寸進行選擇。

2.2輸出軸軸承尺寸的確定

變速箱輸出軸可參考變速箱輸入軸類似的方法估算和初選軸徑，但要注意考慮傳動比的影響：

式中：i1--1檔傳動比；

考慮到軸承的裝配性，軸承內徑尺寸應大于上述尺寸進行選擇。

2.3主減速輸出軸軸承尺寸的確定

如上文所述，主減速器部分無論從結構形式還是傳動參數方面都與傳統車相當，可以直接借用對應的傳統車方案而不必重新開發。

3.軸承極限轉速的確定

滾動軸承轉速運行速度有一個極限，即極限轉速。純電動汽車變速箱軸承選型時，軸承的極限轉速應根據驅動電機的峰值轉速確定。

3.1輸入軸軸承極限轉速

變速箱輸入軸一般直接通過聯軸器與驅動電機輸出軸連接，故：

n1max=nemax

式中：n1max--變速箱輸入軸軸承極限轉速；nemax--驅動電機輸出峰值轉速；

3.2輸出軸軸承極限轉速

變速箱輸出軸與變速箱輸入軸以固定傳動比傳動，故：

n2max=n1max/i1

式中：n2max--變速箱輸出軸軸承極限轉速； i1--1檔傳動比；

3.3主減速輸出軸軸承極限轉速

主減速輸出軸與變速箱輸入軸以固定傳動比傳動，故：

n3max=n2max/i0

式中：n3max--主減速輸出軸軸承極限轉速； i0--主減速比；

4軸承載荷的確定

軸承載荷按照載荷的作用方向分為軸向載荷（Fa）和徑向載荷（Fr）兩種。按照載荷的作用狀態分為基本額定動載荷（Cr）和基本額定靜載荷（C0r）。軸承的選型以基本額定動載荷為主要依據，通過計算得出的軸向載荷和徑向載荷，需先經過換算轉化為當量動載荷（P），然后作為依據與軸承選型表中的基本額定動載荷對照選型。

4.1輸入軸軸承載荷

軸承的載荷來自于齒輪傳動，所以首先應對輸入軸齒輪進行受力分析，求解出齒輪作用力即圓周力（Ft），徑向力（Fr）和軸向力（Fa）三個分力，計算公式如下：

式中：αn--法向壓力角；β--螺旋角；d--分度圓直徑；

然后根據材料力學公式求出兩個軸承位置的支座反力并確定軸向載荷和徑向載荷，進而通過換算確定當量動載荷。

4.2輸出軸軸承載荷

變速箱輸出軸上有兩個齒輪，要分別進行受力分析。其中與變速箱輸入軸嚙合的齒輪受力與4.1節中計算數值相同只是方向相反。與主減速輸出軸嚙合的齒輪在受力分析時應注意圓周力的計算公式變更為：

4.3主減速輸出軸軸承載荷

主減速輸出軸上有1個齒輪，齒輪受力與4.2節中數值相同只是方向相反。

5軸承驗算

5.1軸承軸向極限載荷驗算

深溝球軸承承受軸向載荷的能力有限。 所以變速箱輸入軸和輸出軸軸承須驗算軸承的軸向極限載荷，詳見參考文獻1。

5.2軸承壽命驗算

通過上述選型計算，可初步確定軸承規格。根據汽車的里程壽命要求（一般按30萬公里計算），結合上文求得的軸承載荷數據以及軸承的額定載荷參數進行變速箱軸承壽命的驗算，具體過程見參考文獻2。由于軸承的實際運轉狀況非常復雜，所以軸承壽命的驗算還需結合同類產品應用經驗以及整個生命周期內使用工況綜合考慮。

純電動汽車變速箱軸承使用壽命的主要關注點在變速箱輸入軸和輸出軸軸承上。一方面由于動力源的改變，導致整個生命周期內軸承平均轉速上升，必然會影響軸承的使用壽命。另一方面，軸向載荷的存在也使軸承的工作狀態更為惡劣和復雜。所以對于變速箱輸入軸和輸出軸軸承的使用壽命要重點校核。對于主減速輸出軸軸承，如果是沿用傳統車軸承方案，且其運轉工況與傳統車軸承近似，一般均可滿足使用壽命要求。

參考文獻

[1]《滾動軸承的分析方法》 萬長森 機械工業出版社.

[2]《變速器》 高維山 人民交通出版社.

[3]《機械設計手冊》聞邦椿 機械工業出版社.

[4]《材料力學》田玉梅 賈杰 清華大學出版社.