一款新能源汽车后桥减速器的开发
焦传梅
(柳州五菱汽车工业有限公司,广西 柳州545007)
摘 要:开发了一款新能源汽车的后桥,采用偏心直连结构;面向核心部件减速器总成设计,采用了理论分析计算与MASTA软件分析相结合的设计思路。在该设计思路上引用了“细高齿”齿轮设计理念,齿轮参数及轴承型号选型的经验已推广应用于其他同类产品。
关键词:电动后桥;圆柱斜齿轮;MASTA软件;NVH
0引言
在新能源汽车业务逐渐扩大的市场背景下,某公司针对物流汽车领域全新开发一款电动驱动后桥,以丰富新能源汽车电动桥类型。根据物流车整体总布置,综合技术、生产、使用要求、经济性等多方面进行分析和评估,给出总体设计方案。沿用传统燃油车底盘,动力系统为后置后驱,电机采用主流的机电集成化布置[1]——电机平行于桥壳,电机、减速器挂接于驱动桥上,如图1所示。电机输出动力经主减速器和差速器传经半轴,再到车轮,以实现驱动汽车前行。
                              
图1 机电集成电动后桥
1设计分析及结构设计
整体结构包括:桥的承载件(桥壳)、驱动车轮的传动装置(半轴等零部件)、悬挂件、制动系统。动力传递特点:动力输入与后桥输出呈平行分布。因此,如何既能实现这种形式力矩传递,同时又要获得较好NVH水平的减速器,是这款后桥设计的重点。此减速器设计中,圆柱斜齿轮和轴承型号选择也是设计的关键。
根据整车给定速比及电机输入轴至后桥输出轴的距离,减速器采用二级减速[2],齿轮布置形式如图2所示,输入扭矩通过齿轮轴Ⅰ与装于齿轮轴Ⅱ上的Ⅱ轴齿轮的啮合传递至齿轮轴Ⅱ,齿轮轴Ⅱ通过与被动齿轮的啮合传至差速器。
图2 减速器齿轮布置
2零件参数选择及校核
一般来说,在齿轮设计[3,4]中,如果齿轮参数(齿数Z、模数m、螺旋角β、压力角α、齿宽系数Φ等)选择不合理,会使齿轮齿面接触疲劳强度不足,可能在使用过程中发生磨损、点蚀、胶合及塑性变形等齿面损伤,引起震动、噪声等不良情况。轴承型号选择不当,会出现早期失效,使用寿命严重下降,造成三包索赔。
减速器各级速比u、轴间距a分配、齿轮参数设计流程,如图3。
图3 设计开发流程
公式中:a为轴间距;d1为小齿轮分度圆直径;mn为法向模数;u为速比;k为载荷系数;T为转矩;φa、φd、φm 为齿宽系数;Z1为小齿轮齿数;Z2为大齿轮齿数;YFS为复合齿形系数;σFP为齿轮许用弯曲应力;σHP为齿轮许用接触应力;α为压力角;β为螺旋角;σH齿轮接触应力;σF为齿轮弯曲应力;ZE为弹性系数;ZH为节点区域系数;Zε重合度系数;YFa为齿形系数;YSa为载荷作用于齿顶时的应力修正系数;Yε为弯曲强度计算时的重合度系数。
2.1齿轮参数选择及校核
齿数Z,当中心距一定时,齿数取多,则重合度增大,改善了传动的平稳性,但是齿数增多则模数减小,齿轮的抗弯强度降低,因此,在满足抗弯强度的条件下,宜取较多的齿数。
一般最少齿数不应产生根切,互相啮合的齿轮,齿数间不应有公因数,速度高的齿轮更应注意这点。
模数m=P/π(mn为斜齿轮的法向模数,P为齿距),m越大,则P越大,齿轮就越大,齿轮的抗弯曲能力越高,它是齿轮抗弯能力的重要标志。模数由强度计算或结构设计确定,要求圆整为标准值。我国颁布的齿轮模数的标准系列如表1所示。
表1 标准模数(摘自GB/T1357-2008)[3]
螺旋角β:反映齿轮特征的一个重要参数,β大,则重合度ε增大,则传动平稳,噪音降低,但工作时产生较大的轴向力,轴承载荷就比较大,也会造成壳体尺寸相应增大,同时降低传动效率。β太小,将失去斜齿轮的优点。所以β的大小应根据工作要求和加工精度而定。
基于对市场上部分电动后桥的对比分析和专业齿轮厂家的沟通交流,结合《减速器和变速器设计与选用手册》[2],在微车及乘用车电动后桥齿轮设计中,一般推荐模数m选择在3.5以内,螺旋角一般选择35°以内,对在 10°~ 30°,压力角 α 一般选择20°,此外也采用其他齿形角,如 14.5°、16.5°及 22.5°等。
齿宽系数Φ:系数取大些,可使中心距及直径d减小,但齿宽越大,载荷沿齿宽分布越不均匀,因此齿宽不宜太大,一般根据公式b=(6.5-8.5)m初选。
在参数选定后,校核齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度,强度条件为:σH≤ σHP,σF≤ σFP。计算方法按照《机械设计》[3,4]公式计算。
2.2轴承选型及校核
多数新能源减速器内部一般选用深沟球轴承。深沟球轴承装配要求不高,即壳体或轴的结构设计相对简单,价格相对低,一般会优先采用。在不满足使用要求时,也会选择加强型或圆柱滚子轴承。选择该类轴承的优势在于不用考虑其预紧。随着轴承研究的不断深入,一些轴承厂家可以提供有关轴承寿命研究的更多数据,如圆锥滚子轴承预紧量与寿命曲线图,可以指导客户选择合适的手段(如调整垫片)来实现轴承的预紧。因此,在深沟球轴承无法满足产品设计要求的情况下,有些产品也选择了圆锥滚子轴承。轴承寿命计算一般按照《机械设计》[3-4]所推荐的方法。
3MASTA软件分析
根据齿轮、轴承等部件的详细参数,在MSATA软件中建立仿真模型。对齿轮强度、轴承寿命二次分析,并通过齿轮强度、齿轮总重合度、齿轮效率及轴承功率损失等各项值对齿形参数进行调整,达到齿轮高强度、低噪音和较高传动效率的要求。由于整车未能提供加载工况,按最大扭矩工况来分析。仿真模型,见图4。
图4 仿真模型
3.1运用MASTA软件对比分析齿轮
以二级齿轮传动为例对两组齿轮分析,如表2所示。
表2 两组齿轮强度及重合度对比
在保证轴间距,主减速比不变的情况下,从表2数据对比来看:通过调整齿轮参数,如螺旋角β、齿宽b、齿顶高系数ha、齿根高系数hf等,重合度εγ提高了28.4%,齿轮强度提高了4.5~8.6%,重合度的提高可以改善NVH性能。同时也验证了,近年来国内外汽车变速器厂所提出的“细高齿”齿轮设计,在提高齿轮性能上是非常有效的(备注:①表2中仅体现了齿轮部分参数;②两组齿轮相同参数用“/”代替)。
3.2运用MASTA软件对传动效率对比分析
在额定工况(扭矩90 N·m,功率30 kW,转速3 183r/min)对两组齿轮的传动效率进行对比分析如表3所示。
表3 两组齿轮传动效率对比
根据表2、3,结合ISO14179标准的计算公式,可知增大螺旋角β或减少压力角α有利于减少齿轮功率损失,系统效率提高。
4产品性能试验验证
后桥顺利通过齿轮疲劳试验、道路耐久试验及道路NVH测试,优势明显。具体如下:
4.1齿轮疲劳试验试验结果
齿轮疲劳寿命均在50万次以上,最高达到100万次。满足《QC/T534汽车驱动桥评价指标》6.2齿轮疲劳评价指标:试验数据遵循对数正态分布(或布尔分布),取其中值疲劳寿命不低于50万次,试验样品中最低寿命不得低于30万次。
4.2道路NVH测试
采用LMS数据采集系统采集车轮后轮的转速,二级齿轮的阶次是76,一级齿轮的阶次是 170。测得汽车加速和滑行时司机右耳噪声:加速工况,二阶齿轮最高59.52 dB,一阶齿轮最高44.34 dB(见图5);滑行工况下,二阶齿轮最高51.89 dB,一阶齿轮最高37.92 dB(见图6)。由噪音值表现看,该减速器齿轮的设计,分贝值很低且整个噪声曲线(蓝色曲线)非常平稳,尤其是一级齿轮,体现了高重合度齿
图6 滑行工况的噪音曲线
5结论
该款电动后桥,顺利通过了各项台架试验和道路耐久试验验证,目前已经成功转批产。在此项目中所积累的经验,尤其是齿轮设计、轴承选型及NVH提升的经验,已推广应用于其他同类产品上,且NVH水平得到了顾客的认可。相信在国家大力倡导发展新能源汽车的背景下,此后桥的成功开发将加快某公司电动后桥市场的开拓,也将创造更大的经济效益。
参考文献:
[1]俞传阳.纯电动汽车电动驱动桥设计与试验[D].合肥:安徽农业大学,2014.
[2]程乃士.减速器和变速器设计与选用手册[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]李良军.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2010.
[4]彭文生,李志明,黄华梁.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2002.
窗体顶端

窗体底端

Development of Rear Axle Reducer for NewEnergy Vehicle
JIAO Chuan-mei
(Liuzhou WulingAutomobile Industry Co.,Ltd.,LiuzhouGuangxi 545007,China)
Abstract:The rear axle of an electric logisticsvehicle is developed,which adopts eccentric directconnection structure.The design of reducer assembly oriented to the corecomponent involves the idea of combining theoretical analysis and calculationwith MASTAsoftware analysis.The“fine high tooth”gear is quoted in the design,and theexperience of gear parameter and bearing type selection have been widelyapplied to other similar products.
Key words:electric driving axle;cylindrical helical gear;MASTAsoftware;NVH
中图分类号:U469.7
文献标识码:A
文章编号:1672-545X(2019)04-0104-04
收稿日期:2019-01-12
作者简介:焦传梅(1982-),女,学士,河南开封人,工程师,研究方向为汽车驱动后桥设计开发与制造。
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