电动汽车减速器及齿轮基础技术解析

电动汽车减速器及齿轮基础技术解析1、电动汽车能不能做到直驱？电动汽车是由电动机直接驱动还是需要通过减速器、变速箱之类的传动装置驱动车轮？如果是直驱可以不用减速器，那么就要求电机具备低速大扭矩的特征，而电机在扭矩一定的情况下，转速和功率成正比，相同功率的驱动电机，转速越低体积和重量就越大，所以带来的问题就是电机尺寸和重量都比较大，输出的功率曲线不一定满足车辆要求。例如外转子的轮毂电机驱动。下面列出的是轮毂电机的几条技术难点：•轮毂电机系统集驱动、制动、承载（可能还有转向）等多种功能于一体，优化设计难度大；•车轮内部空间有限，对电机功率密度性能要求高，设计难度大；•电机与车轮集成导致非簧载质量较大，恶化悬架隔振性能，影响不平路面行驶条件下的车辆操控性和安全性。同时，轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷，电机抗振要求苛刻；•车辆大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题，电机的散热和强制冷却问题需要重视；•车轮部位水和污物等容易集存，导致电机的腐蚀破坏，寿命可靠性受影响；•轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声。而且从整车控制角度考虑，也是由很多问题需要解决的，比如电子差速控制，牵引力控制，汽车的横摆角速度控制等等。从目前的技术来看，要做出大扭矩低转速，重量轻的电机还是非常困难的，成本也非常高。相同功率的电机，高转速和低转速的电机重量会差几倍到十几倍，成本可想而知。2、电动汽车为什么需要减速器？电机+减速器方案可以降低驱动系统的整体重量和制造成本，目前两种方案同时存在，但电机+减速器的方案偏多。例如，电机+减速器+后桥的方案用来代替电机+后桥方案，带减速器方案的整体重量比不带减速器的方案的整体重量轻了至少100kg，成本降低了1万多元。如果电动汽车没有减速器的话，输出到轮的扭矩太小，尤其是爬坡等需要大扭矩的情况就很难满足了。而日常使用，绝大部分时间都是在平路上行驶，如果选大扭矩的电机，价格会极高，整车性价比就下去了。车轮转速常用区间是0rpm（起步）到1000rpm（车速100km/h左右），特别是城市里常有的50km/h的车速，（对应轮速500rpm）现在大部分民用电机，在这个转速区间并没有很高的效率，选择可以是使用更高功率电机，通常意味着几倍的成本增加。齿轮箱主要作用是减速和增加扭矩，便是一个低成本的解决方案。另外，车在转弯的时候，左右两个轮的转速是有差异的，目前汽车使用成熟的差速器解决方案，差速器可以根据行驶阻力变化自动调节轮子转速（有兴趣的同学可以自搜这一伟大的结构）。如果电机直驱，不仅需要复杂的算法匹配转弯半径和轮速差，更困难的是动态保持轮子实际转速和理论一样（两个轮子，同时按照理论设计）否则不能避免轮子打滑，造成不必要的风险。从成本和技术成熟度来说，现在还是电机+齿轮箱的天下。所以目前和未来短期内，一定是高速电机加减速器的方案主导市场。3、目前电动汽车减速器的设计开发和制造难点在哪里？3.1二档减速器匹配更好，但还没有到产业化阶段为什么二档减速器比一档减速器好？关于这个问题，以一个经典车型为例来进行分析：特斯拉的第一个车型Roadster的最初设计是180kW电机+2档变速箱，后来由于变速箱生产质量的问题，被迫采用了固定齿比减速器，但为了达到相同的动力性能，使电机功率增大到240kW才能达到相同的性能。特斯拉ModelSP85可以轻松赢在起步，但在中后段加速却频输对手。究其原因，问题就出在特斯拉匹配的单级变速箱上：它使特斯拉始终在一挡上行驶，完成从起步到最高时速的行驶。这相当于开一辆燃油车，用一挡起步后不换挡，直到转速被拉高至红线区，发动机不能回到最佳扭矩输出区间，再加速能力被大幅削弱。采用单档减速器时，纯电动乘用车的动力性能完全取决于驱动电机，对驱动电机性能的要求较高，即要求驱动电机既能在恒转矩区提供较高的驱动转矩，又能在恒功率区提供较高的转速,以满足车辆加速、爬坡与高速行驶的要求。单级变速箱不间断的动力输出对起步加速有利，但却不利于车辆的经济性与舒适性。尤其是为追求性能采用高转速电动机的ModelS，它配置的高转电动机功耗较大，并且单级变速箱一挡大齿比，造成车辆巡航状态也处于较高的转速临界点，经济性不高。当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间，所以的速度受到制约，高速经济性不高。同时，采用单挡减速器不利于高电驱动总成系统的效率，这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性，行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作点，尤其是在最高或最低车速以及低负荷条件下，驱动电机效率一般会降至60-70%以下，严重浪费了车载电能而减少续驶里程。3.2电动汽车减速器在工艺和制造方面的难点在哪里？电机目前的技术可以做到功率密度非常大，难点在减速器，高速的大传动比体积小巧的减速器，设计、制造水平都要很高，目前很难制造。在6000RPM到15000RPM区间的减速器，噪音、发热量、密封、轴承都是技术难点，要保证减速器在高速、无冷却、长时间持续运行，目前还很难做到，国内可能有个别厂家可以做到，但价格不会低。从齿轮与轴承行业来看，通过增材制造的3D打印技术，齿轮材料性能方面可具有高弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面有足够的硬度和耐磨性，零件芯部具有良好的强度和韧性。从发展趋势看，增材制造解决了传统冶金中的大型、高品质和高性能难题，可使多材料/梯度高性能，制造与再制造交替，结构与功能一体化。在齿轮制造技术方面，增材的3D打印可以做到高精度、高质量、高效率和绿色环保，同时大型齿轮铸/锻件坏料冶金缺陷与性能可受到相应的制约，使得齿面更具有承载能力，可靠性更高。齿轮箱耐久试验技术及装备可应用的主要测试范围包括：疲劳寿命试验，传动效率试验，高速试验，温升试验，反拖试验，变矩试验，型式试验，静扭试验，循环工况试验，基本性能试验，实用性能试验，用户自定义试验等。噪声、振动与声振粗糙度(NVH)问题一直是制约我国自主品牌齿轮箱向高端品牌转型的技术难点与瓶颈。未来需要重点围绕减速器齿轮开展了啸叫、敲击和异响等齿轮箱典型NVH问题研究，掌握NVH试验方法、评价方法、声源识别技术、声源控制及优化方法和NVH试验装备开发技术，形成NVH数据库。4、电动汽车减速器概述和典型结构减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异。不同种类有不同的用途分类：a.按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥－圆柱齿轮减速器；b.按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；c.按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；d.按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。轮边电机和轮毂电机等分布式电驱系统不在本文讨论之列；本文只讨论中央电驱带差速器的乘用车所使用的固定齿比减速器。典型结构：5、为什么齿轮减速机的齿轮多数是斜齿？齿轮是齿轮减速机的重要组成部分，对于齿轮减速机来说，齿轮发挥着重要作用。如使用了好的齿轮，对齿轮减速机带来的优点有这些：a.传动比稳定：传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点。b.工作可靠、寿命长：设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。c.结构紧凑：比带、链传动所需的空间尺寸小。d.效率高：在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高，闭式传动效率为96%~99%，这对大功率传动有很大的经济意义。构成齿轮减速机的齿轮分为斜齿轮和直齿轮。为什么很多齿轮减速机的齿轮是斜的？我们可以通过对比得出原因：•和直齿轮相比，斜齿齿轮减速机轴的位置更自由。比如用斜伞齿的差速器传动轴不一定要和后轴在同一水平面上。•斜齿轮重合度大，同时进入啮合的齿数多。减少冲击和噪声，使传动更加平稳，并能承受高速重载。•降低噪音，齿轮减速机如果用的是斜齿，那么在同样转速下，噪音会比直齿要低很多。原因在齿轮减速机的斜齿的表面是先点接触，然后过渡到面接触，最后到点接触。直齿轮的则是线面线的接触。斜齿的过渡更光滑。故因为接触的突然改变而产生的噪音比平齿小很多。•生产方便，用滚齿机在圆柱胚料上就可以生产出teethnumber,modules相同facewidth不同的一组斜齿齿轮减速机，后期根据客户需求切成不同的facewidth即可。•加工过程中，避免产生根切的最少齿数小。相应的齿轮个头要小，所以在传动副传动比相同的情况下，采用斜齿轮的齿轮减速机体积要小。斜齿轮减速机有着这么多的优势，但是它的优势是基于精确的制造、精湛的表面处理、精艺的齿形修正。而直齿轮的传动的平稳性差，冲击和噪声大，齿轮减速机应用斜齿轮传动重合度大、齿面接触情况良好，故承载能力高。斜齿轮的最小齿数比直齿轮的小，故机构更紧凑且制造成本与直齿轮相同。齿轮减速机使用斜齿轮更合理，适用于工程实际。6、减速器技术概述减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器结构紧凑，效率较高，传递运动准确可靠，使用维护方便，可以成批生产，因此应用非常广泛。•减速器的基本构造减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成。其基本结构有三大部分：a.齿轮、轴及轴承组合b.箱体c.减速器附件箱体是减速器的重要组成部件，它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。齿轮、轴及轴承组合小齿轮与轴制成一体，称齿轮轴，这种结构用于齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下。而当df-d＞6～7mn时，采用齿轮与轴分开为两个零件的结构，如低速轴与大齿轮。此时齿轮与轴的周向固定平键联接，轴上零件利用轴肩、轴套和轴承盖作轴向固定。•减速器的工作原理减速器一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机、内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。•减速器附件大多数减速器的箱体采用中等强度的铸铁铸造而成，重型减速器则采用高强度铸铁和铸钢。减速器箱体的外形要求形状简单、表面平整。为了便于安装，箱体常制成剖分式，剖分面常与轴线平面重合。为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。7、齿轮轮系按照传动时各齿轮的轴线位置是否固定，轮系分为定轴轮系和行星轮系两种基本类型。传动时所有齿轮的几何轴线位置均固定不变，这种轮系称为定轴轮系。在机械设备中，为了获得较大的传动比、或变速和换向，常常要采用多对齿轮进行传动，如机床、汽车上使用的变速箱、差速器，工程上广泛应用的齿轮减速器等，这种由多对齿轮所组成的传动系统称为齿轮系，简称轮系。传动时齿轮的几何轴线绕齿轮和构件的共同轴线转动，这样的轮系成为行星轮系。根据自由度的不同，行星齿轮系又可分为周转齿轮系和差动齿轮系。周转轮系有一个自由度，行星轮系有两个自由度。轮系始端主动轮与末端从动轮的转速之比值，称为轮系的传动比。8、齿轮系的作用•实现变速传动当主动轴的转速不变时，利用轮系可以使从动轴获得多种工作转速，这种传动称为变速传动。汽车、机床、起重机等许多机械都需要变速传动。•实现相距较远的两轴间运动和动力的传递在齿轮传动中，当主从动轴间的距离较远时，如果只用一对齿轮来传动，齿轮的尺寸势必很大。若改用两对齿轮组成的轮系来传动，就可使齿轮尺寸小得多，制造安装也较方便。•实现分路传动利用轮系可以使一根主动轴带动若干根从动轴同时转动，获得所需的各种转速。•实现运动的合成和分解运动分解：利用差动轮系还可以将一个基本构件的转动按所需的比例分解为另外两个基本构件的转动。运动合成：差动轮系有两个自由度，只有给定三个基本构件中任意两个的运动后，第三个基本构件的运动才能确定。这就是说，第三