純電動(dòng)汽車變速器軸承系統(tǒng)壽命的校核計(jì)算

沈丹富

(錢潮軸承有限公司， 杭州 311215)

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及石油、煤炭等不可再生資源的大量開(kāi)采而引發(fā)的能源危機(jī)，迫使汽車及零部件企業(yè)進(jìn)行技術(shù)革命，發(fā)展新能源汽車。為搶抓機(jī)遇，搶占市場(chǎng)制高點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了系列純電動(dòng)城市公共交通客車用電動(dòng)機(jī)及變速器?，F(xiàn)介紹其變速器軸承系統(tǒng)的壽命校核計(jì)算。

1 變速器系統(tǒng)受力分析

此純電動(dòng)城市公共交通用客車采用感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍寬、效率高、速度調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)速度與轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，從而使與之配套的變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擋位少、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定功率為100 kW(以下分析計(jì)算均基于電動(dòng)機(jī)以額定功率工作)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定輸出扭矩為640 N·m，變速器的3個(gè)擋位傳動(dòng)比分別為：4.06，1.89，1。變速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各擋傳動(dòng)關(guān)系示意圖如圖2所示。齒輪傳動(dòng)參數(shù)、所用軸承型號(hào)及計(jì)算參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2，齒輪材料均為20CrMnTi，齒面硬度58～64 HRC。

圖1 變速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 各擋傳動(dòng)關(guān)系示意圖

表1 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)

表2 軸承型號(hào)及其計(jì)算參數(shù)

1.1 齒輪受力計(jì)算

首先，根據(jù)變速器齒輪傳動(dòng)關(guān)系，以主動(dòng)齒輪為研究對(duì)象，分別對(duì)各擋齒輪圓周力Fgt、徑向力Fgr及軸向力Fga進(jìn)行計(jì)算[1]，計(jì)算公式為

Fgr=Fgttanα/cosβ，

Fga=Fgttanβ，

式中：P為傳遞動(dòng)力；n為齒輪轉(zhuǎn)速；β為齒輪螺旋角。齒輪各個(gè)力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由于變速器3擋為直接擋，傳動(dòng)比為1∶1，因此各齒輪所受圓周力、徑向力、軸向力均為零。

表3 齒輪受力計(jì)算結(jié)果 kN

1.2 齒輪軸支承反力計(jì)算

圖3 1擋傳動(dòng)受力分析圖

圖4 2擋傳動(dòng)受力分析圖

2 軸承受力及當(dāng)量載荷計(jì)算

表4 1擋各軸承的受力及當(dāng)量動(dòng)載荷 kN

表5 2擋各軸承的受力及當(dāng)量動(dòng)載荷 kN

2)該值為齒輪2和3所受軸向力的合力。

2)該值為齒輪2和5所受軸向力的合力。

3 變速器系統(tǒng)軸承平均當(dāng)量載荷計(jì)算

根據(jù)城市公共交通客車最高限速50 km/h，結(jié)合電動(dòng)機(jī)輸出功率及扭矩特性曲線，在變速器設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，考慮電能輸出的經(jīng)濟(jì)性，分別選擇25，37 km/h為變速器2擋及3擋的自動(dòng)換擋點(diǎn)，并采用1擋啟動(dòng)模式。結(jié)合GB/T 18488.1—2006 《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器》附錄B基本城市循環(huán)(一個(gè)基本城市循環(huán)的理論行駛距離為1 017 m)，計(jì)算得出此款變速器的路譜參數(shù)，見(jiàn)表6。

表6 純電動(dòng)城市公共交通客車路譜參數(shù)

電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速1 500 r/min的情況下，依據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速及城市公共交通客車路譜情況，可得系統(tǒng)軸承的平均轉(zhuǎn)速見(jiàn)表7。平均轉(zhuǎn)速計(jì)算式為

表7 各擋軸承的轉(zhuǎn)速及平均轉(zhuǎn)速 r/min

式中：ni為各擋的轉(zhuǎn)速；ti為各擋的載荷時(shí)間 ；k為各擋的有效轉(zhuǎn)速個(gè)數(shù)。

2)3擋的轉(zhuǎn)速為0特指軸承不受載荷。

變速器軸承各擋動(dòng)載荷分別為P1，P2，P3，轉(zhuǎn)速及工作時(shí)間分別為n1，n2，n3和t1，t2，t3，則平均當(dāng)量載荷Pm為

式中：對(duì)于球軸承p=3；滾子軸承p=10/3。

從而，變速器各軸承的平均當(dāng)量載荷分別為PmA=5.29 kN；PmB=15.21 kN；PmC=3.49 kN；PmD=7.75 kN；PmE=16.41 kN。

4 變速器軸承系統(tǒng)壽命計(jì)算

軸承的理論壽命計(jì)算式為

將各軸承的相關(guān)參數(shù)代入上式得L10hA=2.13×106h;L10hB=1.62×105h;L10hC=8.45×105h;L10hD=3.03×105h;L10 hE=26 216 h。則變速器總成軸承系統(tǒng)的壽命為

根據(jù)表6所提供的相關(guān)城市公共交通客車基本循環(huán)情況，一個(gè)基本循環(huán)時(shí)間為195 s，客車加載、等速行駛101 s，實(shí)際行駛距離為1 017 m，變速器軸承系統(tǒng)壽命轉(zhuǎn)換成行駛路程，可行駛的理論路程為

《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定城市公共交通客車使用年限13年或40萬(wàn)千米，將按先到者而強(qiáng)制報(bào)廢，變速器系統(tǒng)軸承的理論壽命為796 466.8 km，完全滿足車輛理論壽命里程。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)地校核了典型變速器軸承系統(tǒng)的理論壽命，驗(yàn)證了變速器設(shè)計(jì)過(guò)程中軸承選型的正確性，同時(shí)也可為類似變速器設(shè)計(jì)計(jì)算、驗(yàn)證提供借鑒，以縮短變速器設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期。然而，要從根本上保證并提高變速器軸承系統(tǒng)的壽命，還需從軸承的材料、熱處理、潤(rùn)滑及工作環(huán)境的清潔度等方面進(jìn)行深入研究，以不斷滿足汽車制造企業(yè)、使用客戶的內(nèi)在需求。