新能源汽車高效率長壽命低噪音變速箱技術(shù)分析

王升平

摘 要：高速齒輪箱是新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件，其效率、壽命與噪聲直接決定整車的性能與可靠性。文中陳述了新能源汽車變速器的優(yōu)點(diǎn)及類型，對(duì)變速器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)開展高速齒輪變速箱正向設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件制造技術(shù)等，推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局具有重要意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 變速器

Abstract：High-speed gearbox is the key functional component of the electric drive system of new energy vehicles， and its efficiency， life and noise directly determine the performance and reliability of the whole vehicle. This paper states the advantages and types of new energy vehicle transmissions， analyzes the key transmission technologies， and is of great significance for the forward design of high-speed gear gearboxes and the manufacturing technology of key parts， and promotes the strategic layout of the new energy vehicle industry.

Key words：new energy vehicles， transmissions

1 引言

新能源電動(dòng)汽車的電機(jī)由于具有低速，即使轉(zhuǎn)速為零也可以產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速非常廣的0-7000rpm工作范圍這兩個(gè)典型特點(diǎn)，在沒有搭載離合器與變速器的情形下，電動(dòng)汽車仍然可以正常工作，來完成行駛的基本功能。但是，可以不用變速器，不等于一定不用變速器。給電動(dòng)汽車匹配上合適的變速箱，可以如虎添翼。高速齒輪變速箱是新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件，其效率、壽命與噪聲直接決定整車的性能與可靠性。然而，目前我國在高速齒輪箱載荷譜構(gòu)建及集成設(shè)計(jì)方法、多物理量綜合作用系統(tǒng)效率與熱平衡設(shè)計(jì)、復(fù)雜多場非線性耦合多體動(dòng)力學(xué)行為分析、輪齒復(fù)雜曲面修形和表面質(zhì)量精準(zhǔn)調(diào)控等關(guān)鍵制造技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)總成高效率化匹配等技術(shù)領(lǐng)域未完全攻克，這成為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成的一大障礙。目前，一體化、高速化、大速比是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。在高速齒輪箱技術(shù)上的落后成為制約新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“卡脖子”問題。

2 新能源汽車搭載變速器的優(yōu)缺點(diǎn)及變速器類型

新能源汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中（如圖1）是否搭載變速器既有優(yōu)勢也有不足。當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中無變速器時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于特別廣的工作轉(zhuǎn)速范圍，不可避免地會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速變化過程中強(qiáng)烈的電磁干擾和噪聲問題，電池組也會(huì)因?yàn)檫^于頻繁的功率變化使其內(nèi)部各電池單元電量出現(xiàn)不均勻，降低了電池組壽命。加裝變速器后，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以控制在合理的區(qū)間內(nèi)變化，避免頻繁改變電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與電池組使用壽命的提高；而離合器具有傳輸、斷開轉(zhuǎn)矩的功能，也有扭矩減震功能，如果無離合器，則電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)需匹配額外的減震裝置或減震算法；在行駛經(jīng)濟(jì)性方面，裝上變速器后通過換擋，可使電機(jī)處于效率更高的區(qū)域。在行駛動(dòng)力性方面，裝載變速器，通過變速器的傳動(dòng)比將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咿D(zhuǎn)矩，使整車的加速性能提高，動(dòng)力性更加強(qiáng)勁。在生產(chǎn)成本方面，裝載變速器可以有效地減少電機(jī)指標(biāo)與電池指標(biāo)而達(dá)到相同的性能。

新能源汽車變速器技術(shù)復(fù)雜、變速箱供應(yīng)鏈及整車廠集成控制能力都比較弱，多數(shù)廠家生產(chǎn)不出來，致使部分汽車廠家不用變速箱。隨著造車新勢力的崛起和技術(shù)進(jìn)步，目前新能源汽車純電動(dòng)、混合動(dòng)力型多采用單級(jí)變速器，如：特斯拉、北汽電動(dòng)車、比亞迪e5、帝豪EV等。優(yōu)點(diǎn)是：成本低、結(jié)構(gòu)簡單易安裝、故障率小、動(dòng)力損失小、體積小。

缺點(diǎn)是：當(dāng)電動(dòng)汽車的速度到達(dá)極限之后沒有提升空間，所以的速度受到制約，高速經(jīng)濟(jì)性不高。在固定功率相同的條件下，采用異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)車車速更快，但是和固定齒比變速箱匹配之后，速度卻沒有提升。即便是加速強(qiáng)悍的特斯拉，在中后段的加速表現(xiàn)同樣不佳，這就是受固定齒比變速箱的影響。純電動(dòng)汽車搭載兩速變速器，耗電量低，加速性能強(qiáng)，但開發(fā)難度也非常大。理想中的電動(dòng)車多齒比變速箱須具備體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，未來或發(fā)展為多級(jí)變速器來適應(yīng)能耗要求的提升，如兩擋變速器、同軸變速器、集成電子斷開差速器的變速器、集成發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)發(fā)電機(jī)的變速器等新型變速器，它們在輕量化、小型化、結(jié)構(gòu)布局、系統(tǒng)效率、高功率密度等方面表現(xiàn)出優(yōu)良性能。

3 新能源汽車變速器的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 變速箱載荷譜構(gòu)建技術(shù)

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中受到的載荷是變化的，表現(xiàn)為扭矩和速度是變化的，不同檔位所使用的頻繁程度即每檔所用時(shí)間也不相同，三者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是載荷譜。有了實(shí)際工況的載荷譜，即有了準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸入條件，就可以得到傳動(dòng)系統(tǒng)各零件在載荷譜條件下的實(shí)際受力情況，從而可以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。研究典型路面的不平度檢測技術(shù)與路面信號(hào)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法，獲取典型路面不平度和土壤特征參數(shù)，形成路面譜重構(gòu)方法；研究典型路面中載荷數(shù)據(jù)獲取和處理方法，分析不同工況下的統(tǒng)計(jì)特性；研究多路面多工況下載荷譜和設(shè)計(jì)譜間的高匹配度復(fù)現(xiàn)方法，形成多變工況下新能源汽車齒輪型載荷譜構(gòu)建技術(shù)，見圖2。

3.1.1 載荷譜架構(gòu)與采集測試方法

針對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全生命周期真實(shí)載荷獲取困難這一問題，基于多點(diǎn)多參數(shù)同步測量方法，搭建新能源汽車齒輪箱載荷譜有線測試及近程遙感信號(hào)測試系統(tǒng)，進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)態(tài)工況下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、振動(dòng)等信號(hào)的同步獲取，結(jié)合多準(zhǔn)則決策技術(shù)，研究確定典型工況下載荷最小樣本長度?；诮翟霝V波、趨勢項(xiàng)及奇異點(diǎn)消除、超閾法等信號(hào)處理技術(shù)，研究典型工況下的載荷情況獲取及沖擊極值載荷的識(shí)別方法，分析路況調(diào)研和實(shí)車測試數(shù)據(jù)，建立工況模式標(biāo)準(zhǔn)樣本，構(gòu)建工況模式識(shí)別模型。

3.1.2 齒輪箱載荷譜數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

針對(duì)全新開發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段無法通過實(shí)測方法獲取載荷譜的難題，基于不同款車輛在同一路面場景模型下運(yùn)行載荷幅值不同但各工況時(shí)間占比接近的特點(diǎn)，建立整車傳動(dòng)系統(tǒng)模型，結(jié)合基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的不同區(qū)域的路面場景模型，研究全新開發(fā)的新能源汽車齒輪箱系統(tǒng)載荷譜預(yù)測方法。研究現(xiàn)有運(yùn)行車輛的實(shí)測載荷譜，統(tǒng)計(jì)歸納形成系列新能源汽車齒輪箱的載荷譜數(shù)據(jù)庫。

3.2 高效率低噪音長壽命變速箱關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 多物理量綜合作用系統(tǒng)效率與熱平衡特性

針對(duì)新能源汽車齒輪在狹小空間限制下存在的潤滑不良、散熱不好、效率受限等問題，研究高效率、長壽命齒輪箱潤滑流場與齒輪副接觸面摩擦潤滑狀態(tài)，掌握齒面油液比例分布及變化規(guī)律。分析表面粗糙度和齒面彈性潤滑狀態(tài)等對(duì)共軛齒面摩擦的影響規(guī)律，建立考慮表面粗糙度和齒面潤滑狀態(tài)下齒輪傳動(dòng)摩擦系數(shù)的理論計(jì)算模型；基于復(fù)接頭圖畫表示法與基本回路方法進(jìn)行行星輪系傳動(dòng)效率分析，建立高效率長壽命低噪音齒輪箱傳動(dòng)效率精準(zhǔn)化計(jì)算數(shù)學(xué)模型。

3.2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性及疲勞壽命設(shè)計(jì)與預(yù)測

基于非穩(wěn)態(tài)工況下構(gòu)建的多場耦合載荷譜數(shù)據(jù)庫和熱、彈、流、固多場耦合作用下系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)特性和傳熱模型，從材料強(qiáng)度退化宏觀特征出發(fā)，分別采用平穩(wěn)隨機(jī)過程、Poisson隨機(jī)過程和Gamma隨機(jī)過程對(duì)疲勞載荷和極端載荷及零件強(qiáng)度退化規(guī)律進(jìn)行描述，綜合考慮零件失效模式的相關(guān)性，構(gòu)建各獨(dú)立零件壽命的邊緣分布函數(shù)，引入 Copula理論對(duì)零件失效過程的相關(guān)性進(jìn)行描述，揭示系統(tǒng)疲勞壽命與各獨(dú)立零部件疲勞壽命之間的關(guān)系，建立基于失效相關(guān)的系統(tǒng)疲勞壽命預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)高效高精長壽命低噪音齒輪箱可靠性及壽命預(yù)測，提高系統(tǒng)壽命與可靠性。

3.2.3 系統(tǒng)復(fù)雜多場非線性耦合多體動(dòng)力學(xué)特性

針對(duì)高效高精長壽命低噪音新能源汽車齒輪箱的非線性多體動(dòng)力學(xué)精確間建模問題，研究電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)等子系統(tǒng)間的拓?fù)潢P(guān)系，提出子系統(tǒng)間的多自由度非線性耦合因子求解方法，分析子系統(tǒng)間動(dòng)力學(xué)約束關(guān)系，建立高效高精長壽命低噪音齒輪箱非線性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和基于剛?cè)狁詈系凝X輪傳動(dòng)系統(tǒng)平移-扭轉(zhuǎn)多體動(dòng)力學(xué)模型，分析齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

3.2.4 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件及平臺(tái)構(gòu)建

結(jié)合數(shù)字化和計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建服役工況下齒輪副、傳動(dòng)軸和殼體等關(guān)鍵部件虛擬裝配的減速器整體數(shù)字化模型；基于服役工況構(gòu)建三維虛擬運(yùn)行場景，仿真虛擬監(jiān)控減速器整體和關(guān)鍵部件的承載和形變等宏觀性能和接觸應(yīng)力、傳遞誤差和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等微觀性能，尋求出虛擬運(yùn)行時(shí)齒輪嚙合的接觸應(yīng)力、傳動(dòng)誤差和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)綜合考量的齒廓優(yōu)化曲線。

3.3 高精度長壽命齒輪關(guān)鍵制造技術(shù)

針對(duì)齒輪箱精度要求高、服役壽命長的設(shè)計(jì)要求，開展齒輪組織與性態(tài)熱處理精細(xì)化控制技術(shù)研究，形成典型齒輪件變控制工藝方法；開發(fā)輪齒形性調(diào)控技術(shù)，研究低噪聲齒面幾何構(gòu)建方法，形成齒根曲線優(yōu)化技術(shù)；分析研磨、光整、噴丸等不同工藝組合對(duì)傳動(dòng)齒輪疲勞性能的影響，開展不同工藝條件下標(biāo)準(zhǔn)齒輪件的疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)，形成高性能齒輪表層改性工藝方法，見圖3。

3.3.1 組織與性態(tài)熱處理精細(xì)化控制技術(shù)

研究高精度長壽命齒輪滲碳層內(nèi)碳含量與硬度梯度分布規(guī)律的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合產(chǎn)品工況載荷，分析晶粒尺寸、碳化物含量、殘余奧氏體量、馬氏體含碳量及形態(tài)等因素對(duì)硬化層強(qiáng)韌性的影響規(guī)律，揭示組織結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律與微觀機(jī)制；分析齒輪心部硬度對(duì)韌性和疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律，優(yōu)化滲碳工藝并控制表層黑色組織、氧化、脫碳、微觀裂紋等缺陷；研究齒輪尺寸、冷卻條件、心部硬度、殘余奧氏體含量等指標(biāo)對(duì)滲層殘余應(yīng)力場的影響機(jī)理，形成組織優(yōu)化工藝控制方法。

3.3.2 輪齒復(fù)雜曲面修形及三截面精度一致性保證技術(shù)

基于鐵木辛可梁單元理論的階梯軸的剛度矩陣、基于滾動(dòng)軸承五自由度理論的剛度矩陣、基于代數(shù)多重網(wǎng)絡(luò)快速線性有限元并行算法的箱體縮聚節(jié)點(diǎn)剛度矩陣構(gòu)建齒輪箱系統(tǒng)數(shù)字化受載耦合模型，以齒輪箱系統(tǒng)勢能最小為搜索目標(biāo)精確計(jì)算考慮軸、軸承、殼體的齒輪箱系統(tǒng)變形，根據(jù)齒面切片算法，以齒面接觸應(yīng)力、傳遞誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)多目標(biāo)優(yōu)化分析輪齒復(fù)雜曲面修形，同時(shí)提取齒向、齒廓三截面的修形曲線要求。

3.3.3 長壽命齒輪復(fù)合噴丸調(diào)控技術(shù)

研究基于復(fù)合噴丸的表面強(qiáng)化技術(shù)，確定噴丸材質(zhì)、噴丸速度、噴丸時(shí)間和顆粒大小對(duì)齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、殘余壓應(yīng)力分布影響機(jī)制，以及工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)表面織構(gòu)形貌的摩擦學(xué)性能，結(jié)合齒面噴丸微觀結(jié)構(gòu)和磨損失效形式分析，探索減磨微結(jié)構(gòu)減少嚙合摩擦和溫升，延長齒輪壽命方法，并且以效率、成本和強(qiáng)化效果的綜合指標(biāo)最優(yōu)化為目標(biāo)，確定最佳表面處理工藝。

3.4 高效高精長壽命低噪音齒輪箱系統(tǒng)集成技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，通過智能網(wǎng)聯(lián)獲取整車實(shí)際運(yùn)行工況大數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)研究整車典型工況載荷譜，提出整車特征性能要求；結(jié)合整車性能要求，包絡(luò)動(dòng)力總成性能，并基于大數(shù)據(jù)庫優(yōu)化性能參數(shù)；分解動(dòng)力總成性能參數(shù)，結(jié)合電機(jī)特性及齒輪箱傳動(dòng)特性，運(yùn)用自主設(shè)計(jì)軟件程序?qū)崿F(xiàn)最佳輸入與輸出的配套，完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的設(shè)計(jì)，并通過傳動(dòng)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化傳動(dòng)系傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最高化以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)與傳動(dòng)總成高效率化匹配。

基金項(xiàng)目：廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目“新能源汽車高效率長壽命低噪音齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)研究”（2020KTSCX335）。