電動汽車的減速器設計及有限元分析

關鍵詞：電動汽車;減速器;有限元分析

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展和汽車保有量的不斷增加，污染物排放日益增加，環境問題越來越突出，新能源汽車的開發成為汽車行業未來發展的主要趨勢[1]。減速器是電動汽車傳動系統的核心零部件之一，直接承受著電機和車輪的轉動沖擊，其壽命的長短直接影響電動汽車的可靠性與經濟性。因此研究及開發新能源汽車的減速器具有重要意義[2]。

1 方案的選擇

行星齒輪減速器又稱為行星減速機、伺服減速機，受到廣泛的應用。由于替代固定傳動軸的傳動，多個行星輪之間分攤負荷，因而要合理利用內部齒輪裝置，提高效率。相對于其他減速器，行星減速器具有體積小、效率高、傳動比范圍較大和受到載荷影響小的優點。

圓柱形齒輪減速器采用滲碳、淬火和磨牙等方法生產，具有較高的承載能力和較低的噪聲水平，因此常用于機械輸送方面，也用于其他通用機械的傳動機構。它具有承載力高、壽命長、體積小、效率高和質量輕等優點。齒輪的分類主要有斜齒、直齒和人字齒。直齒主要用于低速和低負荷傳輸領域;斜齒輪因為其可以擁有比較高的傳動速度，常常用于汽車減速器等。經綜合考慮，本文選用斜齒輪為該減速器的主要傳動齒輪。

2 減速器設計

用于汽車傳動的減速器齒輪需要考慮的因素較多。直齒圓柱齒輪應力的要求比較低，斜圓柱形齒輪相對于直齒圓柱齒輪優點比較多，所以本次設計選用斜圓柱齒輪。根據減速器的實際工況，齒輪材料選用40Cr，并進行調質處理，齒輪精度為五級，選擇磨齒工藝。

根據GB/T18385-2005《電動汽車動力性能試驗方法》的要求[3]，針對傳動比對車輛行駛的最高車速和爬坡度的影響兩方面進行計算，得出減速器速比應該介于7 ～ 9 之間，且可以滿足汽車的動力性、經濟性和可靠性的設計要求。根據相關資料和標準，最終確定了總傳動比為8.7，將其合理分配，第一級速比為3.4，第二級速比為2.5。按照公式（1）計算齒輪齒數。

第一級主動齒輪齒數選擇為21，由公式（1）可計算得到第一級從動齒輪齒數為72。

第二級主動齒輪齒數選擇為24，由公式（1）可計算得到第二級從動齒輪齒數為61。

運用CATIA 軟件對減速器的各個部件進行單獨建模設計，然后通過裝配模塊進行組裝，最終得到斜圓柱齒輪減速器的三維模型（圖1）。

3 齒輪的強度分析

有限元分析過程包括有限元模型的建立、網格單元的劃分、材料屬性的定義、載荷邊界條件的施加、數據分析處理和計算以及分析結果可視化與輸出。

由于齒輪是主要承載件，因此利用Workbench 對齒輪進行有限元分析，從而保證設計的可靠性。齒輪選用的材料為40Cr，密度為7 820 kg/m3，泊松比為0.227，彈性模量為211 GPa，材料屈服強度約為900 MPa。首先對齒輪進行粗略網格劃分，進而調整相關參數，進行詳細劃分與更新。

確定其邊界條件及約束，應對齒輪添加荷載，在齒輪受力處添加扭矩，進而對齒輪進行強度分析，得出齒輪的應力云圖和齒輪位移云圖（圖2 和圖3）。由圖2 和圖3 可以看出，在施加約束后齒輪的最大位移為0.567 mm，且在此情況下齒輪的最大應力為752 MPa，小于材料的屈服應力900 MPa，所以齒輪的強度滿足設計的要求。

4 軸的強度分析

傳動軸選用的材料為40Cr，同樣對其進行有限元計算，對網格劃分完畢的傳動軸，施加相應的約束和扭矩載荷。通過計算得出傳動軸的應力分布圖和位移云圖（圖4 和圖5）。

由圖4 和圖5 可以看出，施加約束后傳動軸的最大位移為0.135 mm，在此情況下傳動軸的最大應力為655 MPa。從圖中可以看出，應力集中于前半段部分的臺肩處，小于材料的屈服應力800 MPa，所以傳動軸的強度能夠滿足設計的要求。

5 結論

本文對電動汽車的減速器進行了設計，計算了傳動比，確立了齒輪參數，并且選定了相關材料。在Workbench 軟件中導入了減速器的齒輪和傳動軸模型，針對應力和應變進行了計算分析，結果顯示二者均符合材料的力學性能。因此可以滿足工程使用要求，對電動汽車減速器的開發設計具備一定的工程參考價值。