电动车双电机输入减速器设计与研发

电动车双电机输入减速器设计与研发余宁（广东松山职业技术学院，广东韶关512126）摘要：电动车双电机输入减速器在电动车上的应用已经相当广泛，但是由中国国内生产制造的目前还没有，为了争取市场主动，韶关一家公司根据市场需求，决定研发自己的双电机输入减速器。首先从电动车组装厂家借来了一台德国西门子公司所生产的一台电动车双电机输入减速器进行研究、分析和消化。在其基础上，研发设计并制造出来一台适合国内制造精度水平的电动车双电机输入减速器。样机进行了室内试验台上测试并取得一些数据成果。关键词电动车；双电机输入；减速器；调整机构；齿轮副中图分类号：TH132.46文献标识码：BDual-motorelectricvehicledesignanddevelopmentinputreducerYUNing(GuangdongSongshanPolytechnicCollege,GuangdongShaoguan，512126)【Abstract】Dualinputreducerelectriccarmotorsinelectricvehicleapplicationshavebeenquiteextensive,buttheChinesedomesticproductionhasnotyet,inordertogainmarketinitiative,Shaoguan,acompanybasedonmarketdemand,decidedtodevelopitsowndual-motorinputreducer.First,fromtheelectriccarassemblyfactoryborrowedaGermanSiemenscompanyproducedadual-motorinputreducerelectriccarresearch,analysisanddigestion.Basedonitsresearch,designandmanufactureoutasuitablelevelofdomesticmanufacturingprecisiondualelectriccarmotorinputreducer.Prototypeindoortestbenchtestandobtainsomedataresults.【KeyWord】Electricvehicles;dual-motorinput;reducer;adjustmentmechanism;gearpair1.减速器结构如图1所示，a为减速器外观，b为减速器内部结构。B图中序号1是减速器输入电机的定位环，减速器由两个85KW的电机输入动力。序号2是输出轴，序号3是输入轴。输出轴上安装有模数2.5，齿数93的一个大齿轮，大齿轮分别与两个齿数为23的输入轴齿轮形成啮合关系，如图1b所示。电机最高转速为每分钟10000转，满载时为每分钟1531.5转；输入扭矩530Nm；输出扭矩4286.1Nm。结构简单，就是两个电机同时带动两个输入齿轮轴，通过啮合关系传力给大齿轮，使输出轴输送动力扭矩。然而设计、制造，装配却不那么简单。2.设计及制造装配的要点和难点“机械原理”上指出：“齿轮轮系传动链结构中，只有差动轮系可以实现双输入”，而图1所示的齿轮传动链结构显然不是差动轮系，可是却已经应用在电动车市场上，这是一个值得思考的问题。经过认真检测西门子公司所生产的减速器，发现：齿轮啮合转动非常平稳，基本ab上无噪音。当将大齿轮固定，分别检测两输入图1轴齿轮的啮合间隙均小于0.06mm。制造极为精密。这样的精度从机械加工方面来说，国内尚无法做到。影响因素太多，齿轮箱体的输入齿轮和输出齿轮的两个中心距及孔径，两个输入齿轮的分度圆直径，轴承等等。分析后认为：即使是西门子公司要做到这一点也有很大难度，只能在装配方法上想办法。既然减速器已经应用到了电动车市场，那么就一定有了批量，减速器的装配采用的是：分组选配法。2.1研发设计构思从机械加工精度出发，没有可能将每个零件加工精度都提的很高。需要构思在IT6～IT7级精度的基础上，达到两输入齿轮的合力作用体现在输出轴大齿轮上。就是要做到：两个输入齿轮和输出大齿轮的啮合就像一个输入齿轮和大齿轮啮合一样的效果。经过论证，设计了如图1b序号4所示的输入轴齿轮的啮合中心距调整机构，调整范围设计为正负2mm。有了这个调整机构装置就可以使减速器的零部件加工精度在IT6～IT7范围内就可以了。这个精度对于机械加工来说是可以做到的，但矛盾最后集中在齿轮加工上，对于输入轴齿轮来说：分度圆直径精度可以放松一些，但齿形精度和大齿轮齿形精度都要求都很高，否则啮合噪音会很大，也会造成是否有“双输入”的问题，这是一个最大的难点。有了中心距调整装置这个设计之后，就要对调整精度提出技术要求，减速器采用调整法装配之后，最后的运动精度要求要靠中心距调整装置进行微调来保证。设计调整要求是：在齿轮副旋转轻松、自如的基础上，用手顺着输出轴旋转方向轻轻拨动大齿轮，两输出轴齿轮的旋转要保持高度一致。即大齿轮微动一下，两输入轴的转动弧长要一致。一动都动一停俱停。2.2齿轮设计与制造电动车减速器的噪音要求较高。根据这个特点，设计中采用斜齿传动齿轮副，斜齿轮副的重合度较高，可有效降噪。大齿轮设计为93齿，本应考虑质数齿，但受外形尺寸限制难以协调故采用了93齿。螺旋角β为14.7°，Mn为2.5；Xn为0.49。输入齿轮轴齿数为23齿，Xn为0.39。齿轮副啮合中心距152mm，设计齿轮副制造精度为6级，要求修形。齿向和齿形都修为鼓形。齿向修形是为了获得均匀的齿向载荷分布，齿形修形可以明显降噪提高齿轮传动的平稳性。有了齿轮副中心距调整装置这个设计，可使齿轮制造过程中对分度圆直径要求放宽一些，但齿形的加工精度还是比较严格。对于输入轴齿轮，由于输入电机的输出花键轴要与输入轴的内花键形成花键副联接，又因为电机的转速高达每分钟10000转。故输入轴内花键与输入轴齿轮分度圆有严格的同轴度要求，同轴度0.01mm。这使得工艺上必须有一根高精度的花键芯轴，作为磨齿工装。难度较大，试制了几次，几经失败后证明公司不具备这个图2能力。不得已只好为两个输入齿轮轴分别配制了磨齿花键芯轴，确保工艺要求。最大的难度还是在磨齿上，磨齿要求达到6级精度，但需进行齿形和齿向的鼓形修形，要求鼓形凸出2.5um～5um，并保持对中。韶关市万立齿轮厂有一台YK7380数控成型砂轮磨齿机，在这台磨齿机上，三个齿轮整整磨了十个工作日，最后的结果是：有了齿向修形但齿形修形很差，万立厂自己检测结果为不合格。这个结果也说明：齿廓修形在我国还属于尖端技术。2.3齿轮箱、润滑系统设计电动车双电机输入减速器由于齿轮转速高达每分钟10000转，故润滑就显得非常重要。良好的润滑能够对齿轮和轴承起到保护作用，润滑不好承载能力就会降低，润滑得当可在齿轮的两齿面间形成油膜，使齿面不直接接触，能够减少摩擦和磨损，发挥正常的承载能力并可防止胶合，吸收冲击和振动有效避免点蚀，从而提高齿轮副的寿命。再就是利用油液可以降低齿轮副在啮合时所产生的摩擦热，提高啮合质量，对轴承进行润滑可以增加轴承的使用寿命。通过研究西门子公司的减速器，拟采用飞溅润滑加油浸的润滑方式，针对齿轮副和轴承，可以起到更好的润滑作用。设计思路是：将齿轮箱里的润滑油加到可以浸到输入齿轮的两个全齿高，这时可以浸到输出齿轮的14个全齿高，这样的高度当齿轮高速运转时，可以形成飞溅和喷油的效果。由于油浸不是很高，就可以避免搅油损耗并使油在循环中过滤，冷却和进行监控，还可将油引入轴承。轴承的润滑采用油浸的方式，在输入齿轮轴和输出轴轴端的上方设计有漏斗型接油的结构，见图3。在上盖上设计安装挡油和接油的导流盘（图1b，序号6），当齿轮副运动时，齿轮箱内的油会飞溅起来射向齿轮箱的内壁，上盖回落的油液会被图1b，序号6所示导流盘导入在箱体内壁的漏斗型接油装置，将油引向齿轮轴的两端头油池。设计要求要使得输入输出两轴端的轴承下端有一个滚子完全浸在油池当中，并在输入轴端设计有甩油和润滑油路的迷宫式部件，使轴承实现油浸式的充分润滑，图3工作时齿轮箱内部就似一个密闭的油雾状态。齿轮箱的密封完全采用密封胶，不使用密封垫。3.电动车双电机输入减速器特点电动车双电机输入减速器，除了拥有一般减速器的共同特点：如结构紧凑，传递功率范围大；工作可靠，寿命长效率高和适用，维护简单以外，还具有如下重要特点：①是“双输入”减速器，是属于齿轮传动链并不是差动轮系，在机械原理上被认为是不可能实现的“双输入”减速器，这是在设计理论上的一个突破。在这个意义基础上，甚至可以设想“三输入乃至多输入”的机构设计。具有重大意义。②是用“调整装配法”组装的减速器。具有调整法装配的优点，如零部件的加工精度可以适当降低，用调整装置可使机构精度达到理想状态。不足的是：设计复杂，工艺复杂，装配亦复杂，制造成本高，并要求装配线上的调整工具有高超的技能，否则就达不到设计的效果，不能实现双输入。③齿轮副的齿廓精度要求高，啮合精度要求高，分度圆同轴度要求在0.01mm之内。调整装配法可以调整齿轮副的啮合间隙和中心距，不能调整齿轮本身的尺寸和形位精度。作为电动车用的减速器，还有较高的静音要求。4.样机室内试验结果经过近半年的努力，样机制造出来了。上实验台之前，手拨动感觉良好，无阻滞也感觉不到间隙。在实验台上，实验电机在5000r/min以下时，噪音小于40dB，达到6000r/min时，实验台电机发生振动测试不出噪音效果。公司的实验台电机最高转速为6000r/min不到10000r/min。目前公司将减速器发往协作单位，继续进行调试。5.结束语国外能做到的，我们也应该可以做到。电动车双电机输入减速器最终的测试还是要装在电动车上进行。在电动车有负载的时候，在运行中要测试双输入的两个电机输出功率，检测是否输出功率一致或相差多少？这才是最重要的。如果两电机输出功率一致或相差不多，那时才可以说成功。电动车的市场是一个可以期待的市场，电动车双电机输入减速器有着广阔的市场前景。值得为之付出，任重道远。参考文献[1]汪朴澄,机械设计基础.第1版.人民教育出版社出版,1977[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社[3]邹慧君,机械原理.第1版.高等教育出版社,1999作者简介：余宁（1956.2），男，1983年毕业于贵州电大机制工艺与设备专业，工程师，教师，广东松山职业技术学院，13826334106，[e-mail]