純電動(dòng)車差速器異響研究

劉芳，王健，葛海龍

上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041

0 引言

為緩解環(huán)境惡化，與世界共建文明生態(tài)， 我國提出了在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。 在國家政策驅(qū)動(dòng)、技術(shù)路線、進(jìn)入門檻、消費(fèi)環(huán)境的多重驅(qū)動(dòng)下，預(yù)計(jì)2025年，新能源汽車將會(huì)占汽車總量的20%以上，因此當(dāng)前以純電動(dòng)汽車作為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向。

純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)等。 動(dòng)力電池輸出電能，通過電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，再通過減速機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車輪，促使電動(dòng)汽車行駛。由于純電動(dòng)汽車省去發(fā)動(dòng)機(jī)，其NVH性能顯得異常重要。

本文針對某款純電動(dòng)汽車在平坦路面，以車速10～15 km/h行駛，在整車360°轉(zhuǎn)彎、油門50%開度時(shí)，其差速器出現(xiàn)感知異響問題。通過分析，找到了改善措施，從而解決了異響問題。

1 差速器的工作原理

差速器由差速器殼體、半軸齒輪、行星齒輪、從動(dòng)錐齒輪、軸承、調(diào)整墊片等組成，如圖1所示。

圖1 差速器結(jié)構(gòu)

如圖2所示，當(dāng)車輛直線行駛時(shí)，動(dòng)力通過環(huán)形齒輪傳遞到行星齒輪，由于兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪受到的阻力相同，行星齒輪不發(fā)生自轉(zhuǎn)，通過半軸把動(dòng)力傳到兩側(cè)車輪，即相當(dāng)于剛性連接，兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速相等。

圖2 直線行駛

如圖3所示，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，左右車輪受到的阻力不一樣，這時(shí)行星齒輪繞著半軸公轉(zhuǎn)同時(shí)自轉(zhuǎn)，從而吸收阻力差，使車輪能夠以不同的速度旋轉(zhuǎn)。

圖3 轉(zhuǎn)彎行駛

2 NVH影響因素分析

從差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理來看，產(chǎn)生NVH的來源可能涉及差速器、半軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整車布置等多個(gè)方面。差速器本體產(chǎn)生異響的原因主要有：軸承、半軸齒輪軸徑、十字軸軸頸、差殼、齒輪鍵槽之間的配合間隙、嚙合間隙等。同時(shí)摩擦片的材料、摩擦片的硬度、熱處理方式、油品的摩擦特性等。本文主要從摩擦的角度進(jìn)行闡述如何改善NVH。

摩擦因數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中:為摩擦因數(shù);為摩擦扭矩，N·mm;為摩擦片數(shù)目;為平均摩擦有效半徑,mm;為作用在摩擦片面上壓力,kPa;為有效摩擦面面積，mm。

首先結(jié)合公式及理論，改善摩擦效果可以降低摩擦扭矩、提高摩擦片數(shù)目、提高均摩擦有效半徑，提高作用在摩擦面上的壓力。上述措施都涉及硬件結(jié)構(gòu)的調(diào)整或優(yōu)化，在設(shè)計(jì)鎖定的條件下去更改硬件結(jié)構(gòu)比較困難。

為進(jìn)一步改善NVH主要從側(cè)面去改善摩擦條件，比如摩擦片的材料(65Mn)、摩擦片的熱處理方式(氮化或者涂層方式)、處于摩擦中的油液(油液的黏度、油液的摩擦特性)、差速器的承載能力以及差速器與整車的匹配等。所用油品的黏溫特性曲線如圖4所示，摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速率的變化曲線如圖5所示。

圖4 黏溫特性曲線

圖5 摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速率的變化曲線

油品中對于動(dòng)摩擦和低速摩擦起作用的組分是不同的：控制動(dòng)摩擦以分散劑為主，控制低速摩擦和靜摩擦則以有機(jī)摩擦改進(jìn)劑或清凈劑為主。為了滿足摩擦特性，一是采用摩擦改進(jìn)劑的調(diào)配，二是采用性能更好的摩擦改進(jìn)劑，形成一種相對較弱的鍵，產(chǎn)生物理或化學(xué)吸附。有機(jī)摩擦改進(jìn)劑為含磷、含氮和含硼長鏈化合物，其基本結(jié)構(gòu)為P-L-A，其中P為極性基團(tuán)，A為長鏈脂肪烴。加入的這些摩擦改進(jìn)劑主要是為了降低鋼對鋼的低速摩擦因數(shù)。摩擦改進(jìn)劑分子極性越強(qiáng)、吸附膜厚度及強(qiáng)度越大，越有利于EVF(electrical vehicle fluid)保持其特有的摩擦特性，有利于EVF的靜摩擦因數(shù)的減小和保持動(dòng)摩擦因數(shù)基本不變。本文涉及相對速度差很小的鋼對鋼摩擦，根據(jù)異響的條件，控制轉(zhuǎn)速差在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。所采取的措施為：在保持油品理化特性不變的情況下，增加了0.25%的摩擦改進(jìn)劑的劑量。原油品和改進(jìn)油品的摩擦特性對比如圖6所示。

圖6 原油品和改進(jìn)油品的摩擦特性對比

在制造摩擦材料時(shí)，需要保證摩擦部件中大量的能量能夠在短時(shí)間盡可能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，同時(shí)要保證摩擦材料經(jīng)過多次摩擦而沒有大的損傷以及有合適使用壽命和工作的平順性等。差速器的摩擦片材料一般選用65Mn、DC01等。

此外摩擦材料的熱處理方式在一定程度上影響著鋼表面的磨損和摩擦因數(shù)，當(dāng)前用得比較多的是氮化處理和涂層處理。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

NVH主觀評價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 NVH主觀評價(jià)指標(biāo)

對不同的改善方式進(jìn)行了NVH主觀評價(jià)的指標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同改善方式對NVH的影響

對耐久之后的油品分別在整車和臺架上進(jìn)行了NVH評價(jià)和摩擦因數(shù)測試。耐久之后的油品較好地滿足整車NVH的條件下，摩擦因數(shù)較新油僅降低了9%左右，如圖8所示。

圖8 油品的摩擦特性對比

所采取措施現(xiàn)已應(yīng)用于相應(yīng)的在產(chǎn)車型，效果顯著。

4 結(jié)束語

本文將以市場上某純電動(dòng)汽車差速器異響作為研究對象，基于差速器的結(jié)構(gòu)和原理來分析產(chǎn)生異響的原因，找到可行的改善措施，成功驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性，并已應(yīng)用于實(shí)際量產(chǎn)車型，為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)提供有利條件。