基于細高齒的電動汽車減速器設(shè)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(qū)動電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和承受的載荷也越來越高，目前有的電驅(qū)動減速器最高輸入轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過16 000 r/min。同時，電動汽車減速器集成化、輕量化的發(fā)展趨勢也對其可靠性和NVH性能提出了更高要求。

常規(guī)圓柱齒輪參數(shù)設(shè)計按照《機械設(shè)計手冊》推薦標準進行，但是這些方法已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代電動汽車減速器的設(shè)計要求。通過采用細高齒技術(shù)方案，優(yōu)化齒輪齒廓參數(shù)，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(xiàn)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(chǎn)生振動噪聲的機制，提出合理選擇設(shè)計參數(shù)、提高嚙合精度、減小動載荷等降低齒輪應(yīng)力值和彈性變形；莊中[2]介紹了通過小模數(shù)、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(shù)；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(yōu)化設(shè)計方法；焦傳梅[5]在新能源汽車后橋減速器開發(fā)中，引入細高齒設(shè)計思路，完成了產(chǎn)品設(shè)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(shè)計方法，完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案、齒形參數(shù)、計算校核和試驗驗證研究內(nèi)容，探索了細高齒在電驅(qū)動減速器中的應(yīng)用經(jīng)驗。

1 細高齒特性

式中：Z1、Z2為相互嚙合小、大齒輪齒數(shù)，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(shù)、壓力角和齒頂圓壓力角(主要由齒頂高系數(shù)和變位系數(shù)決定)。

理論研究表明：齒輪重合度增大時，傳動系統(tǒng)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(yīng)力，從而提高齒面強度；同時，當齒頂高系數(shù)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(shù)方案

2.1 技術(shù)路線

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

圖1 電驅(qū)動減速器設(shè)計技術(shù)路線

2.2 結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)設(shè)計

該電驅(qū)動減速器設(shè)計最高輸入轉(zhuǎn)速12 000 r/min，峰值功率290 kW，齒輪轉(zhuǎn)速高、承載大；要求減速器噪聲低，傳動平穩(wěn)，安全可靠。基于以上設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)方案

表1為減速器齒輪參數(shù)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(shù)均不小于1.4，超過標準系數(shù)40%；端面重合度都超過2，滿足細高齒設(shè)計方法。根據(jù)國家標準GB 3480—1997附錄A對齒輪最小安全系數(shù)參考值的規(guī)定，選取較高可靠度的使用要求，其中SFmin=1.60，SHmin=1.25～1.30。經(jīng)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(shù)對比

而且，與標準齒對比發(fā)現(xiàn)，提高齒頂高系數(shù)后，齒輪的端面重合度增大，齒面接觸和齒根彎曲安全系數(shù)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(qū)動電機連接，輸出端通過半軸與兩側(cè)加載電機連接。耐久疲勞試驗工況設(shè)置參考QC/T 1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術(shù)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(jù)上述標準，選取運行工況為輸入轉(zhuǎn)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(jié)果

在試驗過程中，減速器沒有發(fā)生滲漏油現(xiàn)象；試驗完成后且經(jīng)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?，F(xiàn)象，減速器耐久疲勞試驗合格。

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

圖4 減速器噪聲測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

文中基于細高齒思路設(shè)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(jié)論：

(1)標準壓力角下，提高齒頂高系數(shù)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(shè)計要求。

(2)齒輪端面重合度略超過2時，傳動更平穩(wěn)，有利于提高減速器的NVH性能。

(3)采用細高齒設(shè)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。