淺談純電動(dòng)汽車變速箱軸承選型要點(diǎn)

李偉

摘 要： 針對(duì)純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)車變速箱結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性等方面差異，針對(duì)性的闡述了純電動(dòng)汽車變速箱開發(fā)過程中軸承的選型要點(diǎn)。為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供有益參考。

關(guān)鍵詞： 變速箱；軸承；純電動(dòng)汽車；新能源

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的推廣和普及以相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，純電動(dòng)汽車的研發(fā)重點(diǎn)已經(jīng)從動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)型逐步向舒適性（NVH），輕量化等方面轉(zhuǎn)移。作為純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件--變速箱，在設(shè)計(jì)過程中也更加注重其噪音水平，結(jié)構(gòu)緊湊度等指標(biāo)。同時(shí)，變速箱動(dòng)力輸入裝置的變革--即由傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)改變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，也對(duì)變速箱內(nèi)部傳動(dòng)部件尤其是軸承的選型開發(fā)產(chǎn)生了的深刻影響。本文針對(duì)較為常見的前置前驅(qū)車輛橫置變速箱內(nèi)部軸承選型進(jìn)行討論。

1.軸承結(jié)構(gòu)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(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用情況選擇。

1.1輸入軸軸承結(jié)構(gòu)類型

純電動(dòng)汽車變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速較高，通常峰值轉(zhuǎn)速可達(dá)12000-15000rpm，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)車差距較大，傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)速一般低于7000rpm。同時(shí)對(duì)軸承傳動(dòng)精度，噪音水平要求較高。所以軸承結(jié)構(gòu)類型以深溝球軸承為主要考慮，深溝球摩擦因數(shù)小，極限轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下離心力的影響，可選用一些軸承廠家專門為高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)類型

傳統(tǒng)車變速箱輸出軸通常采用兩個(gè)面對(duì)面安裝的圓錐滾子軸承傳動(dòng)。圓錐滾子軸承雖然承受復(fù)合載荷的能力優(yōu)于深溝球軸承，但由于是分體式軸承，裝配時(shí)需要預(yù)緊，對(duì)裝配質(zhì)量控制要求很高，在使用過程中，軸承發(fā)熱也比較嚴(yán)重，通常都要設(shè)計(jì)專門的油路對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，為了改善噪音水平，降低軸承發(fā)熱以及提高裝配工藝可控性。筆者選型時(shí)應(yīng)優(yōu)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(duì)軸向極限載荷進(jìn)行校核?？臻g允許的條件下，也可以考慮軸承并聯(lián)成組安裝；或通過調(diào)整傳動(dòng)齒輪參數(shù)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(xiàn)2。

1.3主減速輸出軸軸承結(jié)構(gòu)類型

主減速輸出軸結(jié)構(gòu)，傳遞轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速等狀況與傳統(tǒng)車基本相當(dāng)，可以沿用傳統(tǒng)車方案設(shè)計(jì)只進(jìn)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(shè)計(jì)使軸向載荷得到分擔(dān)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(gè)軸承面對(duì)面布置，由于兩個(gè)軸承的軸向載荷不同，所以兩個(gè)軸承的規(guī)格可以不同，但從成本，裝配質(zhì)量控制等方面考慮，規(guī)格也可以相同。

2.軸承尺寸的確定

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

2.1輸入軸軸承尺寸的確定

首先要根據(jù)變速箱輸入峰值轉(zhuǎn)矩確定輸入軸最細(xì)處花鍵部分直徑，一般按照下面的經(jīng)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Memax--驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出峰值轉(zhuǎn)矩；

考慮到軸承的裝配性，軸承內(nèi)徑尺寸應(yīng)大于上述尺寸進(jìn)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(dòng)比的影響：

式中：i1--1檔傳動(dòng)比；

考慮到軸承的裝配性，軸承內(nèi)徑尺寸應(yīng)大于上述尺寸進(jìn)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(jié)構(gòu)形式還是傳動(dòng)參數(shù)方面都與傳統(tǒng)車相當(dāng)，可以直接借用對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)車方案而不必重新開發(fā)。

3.軸承極限轉(zhuǎn)速的確定

滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速運(yùn)行速度有一個(gè)極限，即極限轉(zhuǎn)速。純電動(dòng)汽車變速箱軸承選型時(shí)，軸承的極限轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速確定。

3.1輸入軸軸承極限轉(zhuǎn)速

變速箱輸入軸一般直接通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接，故：

n1max=nemax

式中：n1max--變速箱輸入軸軸承極限轉(zhuǎn)速；nemax--驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出峰值轉(zhuǎn)速；

3.2輸出軸軸承極限轉(zhuǎn)速

變速箱輸出軸與變速箱輸入軸以固定傳動(dòng)比傳動(dòng)，故：

n2max=n1max/i1

式中：n2max--變速箱輸出軸軸承極限轉(zhuǎn)速； i1--1檔傳動(dòng)比；

3.3主減速輸出軸軸承極限轉(zhuǎn)速

主減速輸出軸與變速箱輸入軸以固定傳動(dòng)比傳動(dòng)，故：

n3max=n2max/i0

式中：n3max--主減速輸出軸軸承極限轉(zhuǎn)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(tài)分為基本額定動(dòng)載荷（Cr）和基本額定靜載荷（C0r）。軸承的選型以基本額定動(dòng)載荷為主要依據(jù)，通過計(jì)算得出的軸向載荷和徑向載荷，需先經(jīng)過換算轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)載荷（P），然后作為依據(jù)與軸承選型表中的基本額定動(dòng)載荷對(duì)照選型。

4.1輸入軸軸承載荷

軸承的載荷來自于齒輪傳動(dòng)，所以首先應(yīng)對(duì)輸入軸齒輪進(jìn)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(gè)分力，計(jì)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(jù)材料力學(xué)公式求出兩個(gè)軸承位置的支座反力并確定軸向載荷和徑向載荷，進(jìn)而通過換算確定當(dāng)量動(dòng)載荷。

4.2輸出軸軸承載荷

變速箱輸出軸上有兩個(gè)齒輪，要分別進(jìn)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(jié)中計(jì)算數(shù)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(shí)應(yīng)注意圓周力的計(jì)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(gè)齒輪，齒輪受力與4.2節(jié)中數(shù)值相同只是方向相反。

5軸承驗(yàn)算

5.1軸承軸向極限載荷驗(yàn)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(yàn)算軸承的軸向極限載荷，詳見參考文獻(xiàn)1。

5.2軸承壽命驗(yàn)算

通過上述選型計(jì)算，可初步確定軸承規(guī)格。根據(jù)汽車的里程壽命要求（一般按30萬公里計(jì)算），結(jié)合上文求得的軸承載荷數(shù)據(jù)以及軸承的額定載荷參數(shù)進(jìn)行變速箱軸承壽命的驗(yàn)算，具體過程見參考文獻(xiàn)2。由于軸承的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況非常復(fù)雜，所以軸承壽命的驗(yàn)算還需結(jié)合同類產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及整個(gè)生命周期內(nèi)使用工況綜合考慮。

純電動(dòng)汽車變速箱軸承使用壽命的主要關(guān)注點(diǎn)在變速箱輸入軸和輸出軸軸承上。一方面由于動(dòng)力源的改變，導(dǎo)致整個(gè)生命周期內(nèi)軸承平均轉(zhuǎn)速上升，必然會(huì)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(tài)更為惡劣和復(fù)雜。所以對(duì)于變速箱輸入軸和輸出軸軸承的使用壽命要重點(diǎn)校核。對(duì)于主減速輸出軸軸承，如果是沿用傳統(tǒng)車軸承方案，且其運(yùn)轉(zhuǎn)工況與傳統(tǒng)車軸承近似，一般均可滿足使用壽命要求。

參考文獻(xiàn)

[1]《滾動(dòng)軸承的分析方法》 萬長森 機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]《變速器》 高維山 人民交通出版社.

[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》聞邦椿 機(jī)械工業(yè)出版社.

[4]《材料力學(xué)》田玉梅 賈杰 清華大學(xué)出版社.