電動汽車減速器的設計與效率提升＊

孫生，周安健，金國慶，杜長虹，盧國成，陳小龍

（重慶長安新能源汽車科技有限公司，重慶 400000）

引言

目前電動汽車采用的是單擋兩級傳動減速器，其NEDC效率是電動汽車在NEDC工況條件下，減速器輸入端與輸出端的總能量比值。電動汽車NEDC循環(huán)工況如圖1所示，由啟動、怠速、加速及減速停車等階段組成。由市區(qū)和郊區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)組成，市區(qū)4個循環(huán)，時間195s，郊區(qū)為1個循環(huán)，時間400s。 純電動汽車常用等速或NEDC循環(huán)工況來評價能耗經(jīng)濟性，而減速器NEDC效率能直接反映電動汽車的經(jīng)濟性指標，故在減速器開發(fā)過程中，減速器的效率也將作為重要考察指標之一。

圖1 電動汽車NEDC循環(huán)工況

1 提高減速器效率的措施

1.1 設計方面

齒輪的宏觀參數(shù)如分度圓直徑d、齒輪的模數(shù)z、傳動比i、齒寬b、變位系數(shù)x，以及齒輪轉(zhuǎn)速n和所使用的軸承類型會減速器的效率產(chǎn)生一定的影響。

1）在齒輪傳遞的扭矩較小的情況下，齒輪副間的嚙合功率損失以滾動摩擦損失為主，滑動摩擦損失為輔，其中滾動摩擦損隨著齒輪直徑的增大而增大，隨著齒輪傳遞負載的逐漸增加，齒輪副間的滾動摩擦損失也跟著增大。假設傳遞的扭矩相同，那么直徑相對大的齒輪所承受的載荷相對較小，因此滑動摩擦損失比直徑小的齒輪相對要小一些。所以，在重載情況下分度圓直徑較大的齒輪傳動傳動效率比直徑小的要高。

2）齒輪副間的接觸線長也會影響齒輪的效率，在齒輪直徑相同的情況下，模數(shù)大的齒輪比模數(shù)小的齒輪接觸線長度長，所引起的滑動損失相對模數(shù)小的要多，從而其嚙合效率相對較低。

3）若小齒輪直徑保持一定，傳動比大，大齒輪的直徑就大，在低扭矩以滾動摩擦損失為主的情況下，傳動比大的效率就低；在重載以滑動摩擦損失為主的情況下，直徑大齒輪比小的更容易形成動壓油膜，動壓油膜會造成齒輪間的滑動摩擦系數(shù)減小，從而減小了齒輪間的滑動摩擦損失，提高了齒輪間的嚙合效率。但傳動比不能過大，否則將會引起齒輪嚙合區(qū)域的變化反而對提高嚙合效率帶來不利影響。設計過程中傳動比分配要合適。

4）滾動摩擦損失和齒寬成正比。在輕載時，齒寬大則效率低；在重載時，齒寬對效率影響不大。因為大齒寬齒輪單位寬度上的載荷小，滑動損失減小，抵消了齒寬引起的滾動摩擦損失的增加，所以在重載時齒寬增大，效率略有提高。

另外，在油浴潤滑時，齒寬對攪油損失有明顯的影響，齒寬越大則攪油損失越大。

5）軸承的動力損失與其平均直徑

對于同類型的軸承，其重載系列比輕載系列、寬系列比窄系列的軸承摩擦損失大，相同直徑的球軸承比滾子軸承損失小。在高轉(zhuǎn)速工況下，軸承損失在整個損失中所占的比例隨軸承直徑的增大而增大。設計減速器時，為提高其效率，應充分考慮全面。

1.2 制造方面的措施

齒輪加工后其表面的粗糙度會齒輪的潤滑造成一定影響，同時也影響到齒輪副間摩擦系數(shù)的大小。齒輪各種加工方法、熱處理和表面處理，都會對齒輪的表明產(chǎn)生影響，且摩擦系數(shù)和表面的都會不同。為了提高減速器效率可以采用適當?shù)臒崽幚砑凹庸すに嚕硗恺X輪表面滲碳層的深度對磨齒有影響，對齒輪嚙合時的變形也有影響，從而也會引起其潤滑狀態(tài)變化?？梢姡X輪的熱處理和表面特殊處理對提高齒輪傳動的效率都是有效的。

1.3 潤滑方面的措施

在嚙合損失最小的前提下，應盡量選用粘度較低的潤滑油，達到減少攪油損失的目的。給油量越大，損失扭矩也越大，但給油量太小，又可能引起潤滑不良現(xiàn)象，導致嚙合損失增加。

可見，從潤滑方面提高減速器效率應考慮以下幾點：

1）潤滑油粘度的合理選用。高速輕載傳動情況下，盡量選用粘度低的潤滑油從而達到減少攪油損失的目的；而重載時，則需要選用粘度高的潤滑油以便在齒輪嚙合副間形成油膜達到如何的目的。一般為使嚙合損失最小應盡量選用粘度較小的潤滑油。

2）選擇合理的齒輪參數(shù)。在保證齒輪強度的條件下，盡量減小節(jié)圓直徑，降低節(jié)線速度，減少攪油損失。

3）準確控制給油量，在保證潤滑充分的條件下，給油量應盡可能小。

2 減速器設計

2.1 傳動比計算

根據(jù)整車的性能要求，減速器的最大扭矩為350Nm，傳動比9.1，最高轉(zhuǎn)速12000rpm，單檔兩級結構。按等強度原理初步分配兩級減速器傳動比，即：

2.2 中心距確定

根據(jù)最大輸入扭矩，可按以下公式初定一級傳動中心距：

式中：A—減速器中心，mm；

KA—中心距系數(shù)，乘用車：KA=8.9～9.3；

Temax—電機最大輸入扭矩，Nm；

i1—變速器一級傳動減速比；

ηg—減速器傳動效率。

對于一級傳動，其中心距：

對于二級傳動，其中心距：

2.3 箱體內(nèi)部輪廓確定

箱體內(nèi)部輪廓根據(jù)一級傳動大齒輪、二級傳動大齒輪定徑確定，箱體內(nèi)部與齒頂間隙≥6mm，一級傳動大齒輪分度圓直徑d12。

二級傳動大齒輪分度圓直徑d22

2.4 減速器結構

設計的減速器結構如圖2所示，主要由箱體、輸入軸組件、中間軸組件及差速器組件構成。

圖2 電動汽車減速器結構

3 高效率減速器的箱體結構

減速器的箱體結構如圖3所示，為了進一步提升減速器的效率，在箱體內(nèi)部空間增加適當?shù)膿跤徒?，進一步縮小內(nèi)部容積空間，改進后的減速器箱體結構如圖4所示。同時將國產(chǎn)軸承改為進口軸承，將高粘度油品改為同牌號低粘度油品并減少油量。

圖3 優(yōu)化前減速器箱體結構

圖4 優(yōu)化后減速器箱體結構

將設計完成后的減速器樣機安裝在在臺架上進行效率測試，如圖5所示。減速器加注規(guī)定量的潤滑油，試驗過程中油溫控制一定的油溫，按一定的工況進行試驗，測得的效率Map圖如圖6所示，從效率Map中的數(shù)據(jù)分析可以看出，改進后減速器比改進前的NEDC效率得到了明顯的提升。

圖5 減速器效率測試

圖6 減速器效率Map圖

4 結論

（1）在電動汽車減速器的設計過程中，根據(jù)輸入扭矩，需要先確定軸系三角形，確定中心距后；根據(jù)中心距確定一級大齒輪、二級大齒輪的頂徑，從而確定減速器的外包絡尺寸。

（2）減速器箱體內(nèi)部結構對減速器效率有明顯的影響，設計過程中合理設置一些筋結構，縮小了減速器的內(nèi)部容積空間，減小減速器潤滑油油用量，降低攪油損失，對提高減速器的效率效果明顯。

（3）減速器潤滑油的油品粘度對減速器的效率也會產(chǎn)生明顯的影響。實驗過程中，在加油量和油品牌號相同的情況下，測試了兩種不同粘度的油品，實驗表明，粘度較低油品對減速器的效率提升效果優(yōu)于粘度較高的油品。

（4）本文在原設計的減速器箱體上進行了結構的改進，更換了進口軸承，減速器的潤滑油油量減少了0.6升，采用低粘度油品，并對其進行了臺架效率測試，從測試結果可以看出，減速器的效率提明顯，提升到了 95.8%，超過了國內(nèi)先進水平。