基于細高齒的電動汽車減速器設計研究

王樹山， 劉紅國 ，楊寶才

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 ，江蘇常州 213011)

0 引言

電動汽車通過減速器將驅動電機的轉速和扭矩傳遞給車輪，隨著車輛動力性能的不斷提升，減速器的輸入轉速和承受的載荷也越來越高，目前有的電驅動減速器最高輸入轉速已經超過16 000 r/min。同時，電動汽車減速器集成化、輕量化的發展趨勢也對其可靠性和NVH性能提出了更高要求。

常規圓柱齒輪參數設計按照《機械設計手冊》推薦標準進行，但是這些方法已經不能完全滿足現代電動汽車減速器的設計要求。通過采用細高齒技術方案，優化齒輪齒廓參數，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，實現減振降噪、降低成本的目的。朱延波[1]針對圓柱蝸桿減速器產生振動噪聲的機制，提出合理選擇設計參數、提高嚙合精度、減小動載荷等降低齒輪應力值和彈性變形；莊中[2]介紹了通過小模數、小壓力角、高全齒高來加大端面重合度、降低變速器齒輪嚙合噪聲的技術；徐康等人[3]通過齒輪修形提高嚙合重合度，改善了輪邊減速器的噪聲振動；張林[4]分析了細高齒的嚙合特性，提出了細高齒齒輪的優化設計方法；焦傳梅[5]在新能源汽車后橋減速器開發中，引入細高齒設計思路，完成了產品設計和驗證。

本文作者針對某款電動汽車減速器，基于細高齒齒輪設計方法，完成產品結構方案、齒形參數、計算校核和試驗驗證研究內容，探索了細高齒在電驅動減速器中的應用經驗。

1 細高齒特性

式中：Z1、Z2為相互嚙合小、大齒輪齒數，αa1、αa2為齒頂圓壓力角，α′為齒輪嚙合角。

可以看出，端面重合度的主要因素有齒數、壓力角和齒頂圓壓力角(主要由齒頂高系數和變位系數決定)。

理論研究表明：齒輪重合度增大時，傳動系統中的嚙合點會越來越接近小齒輪的干涉點，增加齒面接觸應力，從而提高齒面強度；同時，當齒頂高系數增加到1.3時，齒根彎曲強度增加到標準齒輪的1.3～1.5倍；當齒輪重合度在2 左右時，齒輪嚙合噪聲最小。

2 技術方案

2.1 技術路線

如圖1所示，電動汽車用減速器開發過程主要分為設計輸入、方案設計、計算校核、樣機試制和試驗驗證等階段。

圖1 電驅動減速器設計技術路線

2.2 結構方案及參數設計

該電驅動減速器設計最高輸入轉速12 000 r/min，峰值功率290 kW，齒輪轉速高、承載大；要求減速器噪聲低，傳動平穩，安全可靠。基于以上設計要求，必須充分考慮高速大載荷齒輪傳動的特點，保證齒輪強度的前提下兼顧減速器體積小、質量輕的約束條件。為了提高齒輪的承載能力和壽命，減速器齒輪采用低碳合金鋼20CrMo滲碳淬火加磨齒工藝。如圖2所示，減速器為兩級平行軸斜齒輪傳動結構，輸入軸花鍵與電機連接，動力通過差速器與半軸連接傳遞給車輪。

圖2 減速器結構方案

表1為減速器齒輪參數對比。從表1中可以看出，采用細高齒的減速器兩級齒輪的齒頂高系數均不小于1.4，超過標準系數40%；端面重合度都超過2，滿足細高齒設計方法。根據國家標準GB 3480—1997附錄A對齒輪最小安全系數參考值的規定，選取較高可靠度的使用要求，其中SFmin=1.60，SHmin=1.25～1.30。經過校核，兩級齒輪的齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度安全。

表1 減速器齒輪參數對比

而且，與標準齒對比發現，提高齒頂高系數后，齒輪的端面重合度增大，齒面接觸和齒根彎曲安全系數都得到了提高。

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

減速器采用三電機加載試驗臺架開展耐久疲勞試驗和噪聲測試，減速器水平放置，輸入端與驅動電機連接，輸出端通過半軸與兩側加載電機連接。耐久疲勞試驗工況設置參考QC/T 1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》，分為高速低扭和低速高扭兩種工況，時間總計430 h。

噪聲測試時，減速器置于半消音室中，麥克風布置在減速器前、后、上、左4個方向，距離減速器殼體表面1 m位置處。根據上述標準，選取運行工況為輸入轉速6 000 r/min，輸入扭矩116 N·m。

整個減速器試驗過程如圖3所示。

圖3 減速器臺架試驗

3.2 試驗結果

在試驗過程中，減速器沒有發生滲漏油現象；試驗完成后且經拆解檢驗，主要零部件無斷裂、齒面嚴重點蝕(點蝕面積超過4 mm2或者深度超過0.5 mm)、剝落、軸承卡滯等異常現象，減速器耐久疲勞試驗合格。

減速器噪聲測試結果如圖4所示，前方聲壓級數據為71.30 dB(A)，后方聲壓級數據為73.33 dB(A)，左側聲壓級數據為81.70 dB(A)，上方聲壓級數據為72.96 dB(A)。因為減速器左側殼體面積較大，輻射噪聲數據偏大。根據上述標準，要求減速器加載噪聲應不大于83 dB(A)，結果表明符合標準，而且前、后、上3個方向的噪聲結果遠低于83 dB(A)。

圖4 減速器噪聲測試數據

4 結論

文中基于細高齒思路設計了電動汽車減速器，并對減速器開展了臺架耐久疲勞性能試驗和噪聲測試，通過以上分析研究，可以得出以下結論：

(1)標準壓力角下，提高齒頂高系數超過1.3時，齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度可以滿足安全設計要求。

(2)齒輪端面重合度略超過2時，傳動更平穩，有利于提高減速器的NVH性能。

(3)采用細高齒設計減速器齒輪時，要充分考慮齒輪材料的選取及熱處理工藝，保證齒輪的綜合性能。