純電動汽車兩級減速器齒輪設計研究

劉小松 晁雅琴

摘要：采用兩級平行軸結構，設計了某純電動汽車減速器，主要從齒輪參數設計、軸承選用、NVH等方面開展研究，設計出符合要求的純電動汽車減速器，并通過試驗驗證其可靠性。

關鍵詞：純電動汽車；減速器；齒輪

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-02-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.009

1 前言

目前，全球的汽車行業都在大力發展電動化，以美國的特斯拉為例，2022年全球銷量達131萬輛，同比增長40%；國內的新能源汽車銷量占比也在飛速提升，從2020年的5.4%提升到2022年的20%。可以預見，在未來幾年內，純電動汽車將會代替燃油車，成為人們日常出行的主要交通工具。

隨著電動化的發展，汽車驅動電機轉速已經突破了20 000 r/min，作為扭矩傳遞裝置的減速器，需要滿足高轉速及高扭矩的要求；同時，純電動汽車減速器還必須滿足可靠性高和NVH性能好等要求。

為了提高汽車減速器的傳動平穩性及NVH要求，常規的圓柱斜齒輪已無法滿足純電動汽車的要求，因此，本文將采用細高齒的設計方案，來提高齒輪的承載能力和重合度，實現高扭且平穩的傳動。

本文通過對某款純電動汽車兩級減速器齒輪的設計研究，通過增大齒高、微觀修形等方法，計算校核了減速器的性能，獲得了滿足要求的純電動汽車減速器。

2 兩級減速器設計方案

2.1 設計流程

純電動汽車減速器設計流程如圖1所示。

2.2 參數計算

該純電動汽車驅動電機最高轉速為16 000 r/min，峰值扭矩為320 N·m，齒輪轉速高、承載大，要求減速器每級齒輪重合度＞4，TE＜0.25 μm。

齒輪重合度用ε表示，其計算公式為：

[ε=12π[z1（tanαα1?tanα）±z2（tanαα2?tanα）]]

式中，[αα1]、[αα2]為齒輪1、2的齒頂圓壓力角；α為齒輪嚙合角；[z1]、[z2]為齒輪1、2的齒數；“＋”號用于外嚙合，“－”號用于內嚙合[1]。

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[2]。齒輪材料選用滲碳鋼20MnCr5，后期噴丸處理。圖2是減速器傳動結構圖，輸入軸為電機轉軸，輸出軸接車輪。

根據《齒輪設計手冊》，確定齒輪宏觀參數如表1所示。

從表1中可以看出，重合度都＞4，滿足設計要求。

2.3 齒輪、軸承校核

本文將采用Romax軟件對齒輪和軸承進行壽命分析及強度校核。在Romax中進行齒軸系統建模，添加載荷譜，計算可得表2的結果。

從表中可以看出，齒輪接觸安全系數＞1.1，彎曲安全系數都＞1.2，滿足壽命和強度要求。

2.4 齒輪微觀修形

齒輪的嚙合強度，除了受到齒輪本身模數、齒數、壓力角以及配對安裝距等宏觀參數影響外，還受到微觀幾何參數的影響，其中齒輪修形就是一個重要的影響因素[3]。齒輪在制造過程中會產生誤差，因此需要對加工好的齒輪進行微觀修行來優化齒形。采用Romax對齒輪進行修形并比較修形前后齒輪載荷分布情況。

修形前后齒輪單位長度載荷分布情況如圖3～圖6所示。

對比可發現，修形可降低齒面最大載荷，從而提高齒輪接觸及彎曲強度，增加齒輪壽命。

3 試驗驗證

3.1 試驗項目

根據QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》[4]進行試驗驗證。

試驗項目包括靜扭試驗、超速性能試驗、高速性能試驗、NVH試驗、效率試驗、接觸斑點試驗和疲勞壽命試驗。

3.2 試驗方法

將減速器水平安裝在試驗臺架上，半軸另一端接電機，設置好工況開始試驗。試驗過程如圖7所示。

3.3 試驗結果

所有試驗完成后對減速器進行拆解檢驗，齒輪無斷裂、無嚴重點蝕，軸承轉動正常，試驗合格。

NVH試驗結果如圖8所示，最大噪聲出現在減速器左側，聲壓級為80 dB（A）。根據要求，減速器加載噪聲應不大于83 dB（A），試驗結果滿足標準。

4 結語

以上對電動汽車減速器進行了正向設計和驗證，通過以上分析研究，可以得出以下結論：

a.采用細高齒方案，可以提高齒輪重合度，優化變速器的NVH性能。

b.增大齒輪副重合度，可以使傳動更加平穩。

c.對齒輪進行有效的微觀修形，可以提高齒輪的接觸強度和彎曲強度，從而提高變速器的使用壽命。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]王樹山，劉紅國，楊寶才.基于細高齒的電動汽車減速器設計研究[J].Automobile Parts，2021（6）：78-80.

[3]隋景玉，劉均偉，王教友，等.基于Romax的圓柱齒輪微觀修形分析研究[J].汽車工藝師，2021（3）：61-64.

[4]尹夕兵，楊海華，薛理梅，等.純電動乘用車用減速器總成技術條件[M].北京：中華人民共和國工業和信息化部，2015.

作者簡介：

劉小松，男，1994年生，工程師，研究方向為輕型商務車和乘用車輛動力總成。