细高齿的电动汽车减速器设计

电动汽车通过减速器将驱动电机的转速和扭矩传递给车轮，随着车辆动力性能的不断提升，减速器的输入转速和承受的载荷也越来越高，目前有的电驱动减速器最高输入转速已经超过16 000 r/min。同时，电动汽车减速器集成化、轻量化的发展趋势也对其可靠性和NVH性能提出了更高要求。

常规圆柱齿轮参数设计按照《机械设计手册》推荐标准进行，但是这些方法已经不能完全满足现代电动汽车减速器的设计要求。通过采用细高齿技术方案，优化齿轮齿廓参数，可以增加齿轮啮合重合度，从而提高齿轮承载能力和使用寿命，实现减振降噪、降低成本的目的。

针对某款电动汽车减速器，基于细高齿齿轮设计方法，完成产品结构方案、齿形参数、计算校核和试验验证研究内容，探索了细高齿在电驱动减速器中的应用经验。

《机械设计手册》中规定常规渐开线圆柱齿轮的齿廓参数为：压力角α=20°，齿顶高系数顶隙系数c*=0.25，齿根圆角半径ρf=0.38 m，其中m为齿轮法向模数。细高齿齿轮通常是指大齿顶高系数和大端面重合度设计，一般分别大于1.3和大于2。斜齿轮传动的总重合度ελ等于端面重合度εα和轴向重合度εβ之和，齿轮端面重合度公式为

式中：Z1、Z2为相互啮合小、大齿轮齿数，αa1、αa2为齿顶圆压力角，α′为齿轮啮合角。

可以看出，端面重合度的主要因素有齿数、压力角和齿顶圆压力角(主要由齿顶高系数和变位系数决定)。

理论研究表明：齿轮重合度增大时，传动系统中的啮合点会越来越接近小齿轮的干涉点，增加齿面接触应力，从而提高齿面强度；同时，当齿顶高系数增加到1.3时，齿根弯曲强度增加到标准齿轮的1.3～1.5倍；当齿轮重合度在2 左右时，齿轮啮合噪声最小。

如图1所示，电动汽车用减速器开发过程主要分为设计输入、方案设计、计算校核、样机试制和试验验证等阶段。

图1 电驱动减速器设计技术路线

该电驱动减速器设计最高输入转速12 000 r/min，峰值功率290 kW，齿轮转速高、承载大；要求减速器噪声低，传动平稳，安全可靠。基于以上设计要求，必须充分考虑高速大载荷齿轮传动的特点，保证齿轮强度的前提下兼顾减速器体积小、质量轻的约束条件。为了提高齿轮的承载能力和寿命，减速器齿轮采用低碳合金钢20CrMo渗碳淬火加磨齿工艺。如图2所示，减速器为两级平行轴斜齿轮传动结构，输入轴花键与电机连接，动力通过差速器与半轴连接传递给车轮。

图2 减速器结构方案

表1为减速器齿轮参数对比。从表1中可以看出，采用细高齿的减速器两级齿轮的齿顶高系数均不小于1.4，超过标准系数40%；端面重合度都超过2，满足细高齿设计方法。根据国家标准GB 3480—1997附录A对齿轮最小安全系数参考值的规定，选取较高可靠度的使用要求，其中SFmin=1.60，SHmin=1.25～1.30。经过校核，两级齿轮的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度安全。

表1 减速器齿轮参数对比

而且，与标准齿对比发现，提高齿顶高系数后，齿轮的端面重合度增大，齿面接触和齿根弯曲安全系数都得到了提高。

减速器采用三电机加载试验台架开展耐久疲劳试验和噪声测试，减速器水平放置，输入端与驱动电机连接，输出端通过半轴与两侧加载电机连接。耐久疲劳试验工况设置参考QC/T 1022—2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》，分为高速低扭和低速高扭两种工况，时间总计430 h。

噪声测试时，减速器置于半消音室中，麦克风布置在减速器前、后、上、左4个方向，距离减速器壳体表面1 m位置处。根据上述标准，选取运行工况为输入转速6 000 r/min，输入扭矩116 N·m。

整个减速器试验过程如图3所示。

图3 减速器台架试验

在试验过程中，减速器没有发生渗漏油现象；试验完成后且经拆解检验，主要零部件无断裂、齿面严重点蚀(点蚀面积超过4 mm2或者深度超过0.5 mm)、剥落、轴承卡滞等异常现象，减速器耐久疲劳试验合格。

减速器噪声测试结果如图4所示，前方声压级数据为71.30 dB(A)，后方声压级数据为73.33 dB(A)，左侧声压级数据为81.70 dB(A)，上方声压级数据为72.96 dB(A)。因为减速器左侧壳体面积较大，辐射噪声数据偏大。根据上述标准，要求减速器加载噪声应不大于83 dB(A)，结果表明符合标准，而且前、后、上3个方向的噪声结果远低于83 dB(A)。

图4 减速器噪声测试数据

文中基于细高齿思路设计了电动汽车减速器，并对减速器开展了台架耐久疲劳性能试验和噪声测试，通过以上分析研究，可以得出以下结论：

(1)标准压力角下，提高齿顶高系数超过1.3时，齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度可以满足安全设计要求。

(2)齿轮端面重合度略超过2时，传动更平稳，有利于提高减速器的NVH性能。

(3)采用细高齿设计减速器齿轮时，要充分考虑齿轮材料的选取及热处理工艺，保证齿轮的综合性能。