電驅(qū)橋是新能源汽車上最重要?jiǎng)恿鲃?dòng)部件，電驅(qū)橋總成的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)性能直接影響電動(dòng)車輛的整車布置和整車性能。電驅(qū)橋總成一般包括電機(jī)、減速器、橋管、半軸等主要部件?？紤]體積、成本和可靠性等因素，將電機(jī)與減速器同時(shí)集成在電驅(qū)橋上是目前的趨勢。

　　目前市場上的大多數(shù)電驅(qū)橋減速器為偏軸式(展開式)減速器，采用定軸式圓柱齒輪的兩級(jí)減速結(jié)構(gòu)，其電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸相對(duì)輸出軸(差速器)的中心線是偏置布置的(如圖1)。這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)間比較早，工藝相對(duì)成熟，但是無法解決電機(jī)偏置所帶來的問題：

　　圖1 采用偏軸式減速器的電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)圖

　　減速器的徑向尺寸較大，影響電動(dòng)車輛的整車布置，特別是影響動(dòng)力電池或電機(jī)控制器的安裝空間。

　　由于電機(jī)重量較大，電機(jī)偏置懸掛會(huì)導(dǎo)致橋體上的彈簧座板承受額外的傾覆力矩，導(dǎo)致電驅(qū)橋在車輛運(yùn)行過程中出現(xiàn)低頻抖動(dòng)，產(chǎn)生額外噪聲，影響駕駛舒適性。

　　電機(jī)軸與減速器輸入軸在進(jìn)行花鍵耦合時(shí)，容易由于內(nèi)外花鍵不同心而引起可靠性問題和NVH問題。

　　以上亟需解決的難題，關(guān)鍵點(diǎn)就在于減速器上。而采用同軸減速器結(jié)構(gòu)的電驅(qū)橋，因其結(jié)構(gòu)緊湊，在電動(dòng)汽車上應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢，能較好地解決上述問題。

　　在現(xiàn)有技術(shù)中的同軸式電驅(qū)橋大部分為行星齒輪減速結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)较蚝洼S向尺寸都控制的較好，是電驅(qū)橋中結(jié)構(gòu)最緊湊的設(shè)計(jì)之一。但行星減速用的內(nèi)齒圈制造難度大，而且行星齒輪需求數(shù)量多，總的成本高，在同樣動(dòng)力下至少是普通定軸式齒輪兩倍以上的成本，所以不能夠很好的廣泛運(yùn)用。

　　有鑒于此，某公司設(shè)計(jì)研發(fā)了一種采用定軸式圓柱齒輪作同軸減速器的電驅(qū)橋總成，這種結(jié)構(gòu)讓電機(jī)總成和差速器總成實(shí)現(xiàn)了同軸居中，由于這兩部分合起來的重量在電驅(qū)橋上占比最大的，保證了重心基本居中。另外，定軸式齒輪的生產(chǎn)廠家比較多，工藝成熟且產(chǎn)量大。因此，這種同軸式電驅(qū)橋不僅解決了偏軸式電驅(qū)橋的上述缺點(diǎn)，又比行星式同軸橋具有更好成本優(yōu)勢。

　　1 減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 齒輪設(shè)計(jì)

　　與偏軸式減速器相比，雖然同樣采用了定軸齒輪作兩級(jí)減速，但是同軸式減速器還有特殊要求。如圖2所示，必須保證一級(jí)齒輪副和二級(jí)減齒輪副的中心距在理論上完全相等，才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與輸出軸的同軸效果，據(jù)此，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算和優(yōu)化，第一級(jí)減速比2.97，第二級(jí)減速比3.62，合計(jì)總減速比達(dá)10.74。大減速比能在相同的電機(jī)扭矩下，相比小減速比提供更大的輪端輸出扭矩。同時(shí)要將電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，保證輪端的輸出轉(zhuǎn)速。高轉(zhuǎn)速電機(jī)有利于減少電機(jī)定轉(zhuǎn)子的體積和重量，提高電機(jī)的功率密度。

　　目標(biāo)車型為某款的微型商用車，按如下電機(jī)參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入條件：

　　峰值扭矩220N.m / 額定扭矩 90N.m;

　　峰值功率60kW / 額定功率30kW;

　　最高轉(zhuǎn)速10000rpm，輪胎滾動(dòng)半徑290mm。

　　1.2 軸承的選型

　　在保證受力分析，滿足空間布置的情況下，優(yōu)先選用深溝球軸承。因?yàn)樯顪锨蜉S承具有很多優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)不需要提供預(yù)緊力，對(duì)裝配要求不高，這樣對(duì)減速器殼體、齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)相對(duì)簡單。

　　(2)球軸承是點(diǎn)接觸，滾動(dòng)摩擦力小，轉(zhuǎn)速容易提高，相比線接觸的滾子軸承效率也更高。

　　(3)結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)量最大，價(jià)格相對(duì)便宜。

　　球軸承也有一些缺點(diǎn)，如果載荷過大，尤其是軸向載何過大時(shí)難以承受，往往考慮選用圓錐滾子軸承。在相同的載荷下，圓錐滾子軸承尺寸也會(huì)小很多，方便在殼體上布置，但是圓錐滾子軸必需配對(duì)使用，還要提供軸向預(yù)緊力。

　　由于差速器處于減速器的末級(jí)輸出，此處不論是軸向的、徑向的、還是周向的負(fù)荷都是最大的，所以差速器軸承采用了較為普遍使用的32008圓錐滾子軸承。而電機(jī)軸軸承、中間軸軸承由于轉(zhuǎn)速高、受力相對(duì)小，在滿足強(qiáng)度和壽命的情況下，采用深溝球軸承來提高傳動(dòng)效率。

　　1.3 殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　同軸式減速器設(shè)計(jì)的核心：一是減速器殼體的內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)，二是外部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。

　　外部結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)合適的加強(qiáng)筋，考慮節(jié)省材料和輕量化，必須在有必要的地方進(jìn)行合理布置，主要通過理論經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合有限元分析的方法，來找到應(yīng)力最大位置和危險(xiǎn)點(diǎn)，判明受力方向后再設(shè)置加強(qiáng)筋來分散負(fù)荷，保證殼體材料的安全系數(shù)。

　　殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要對(duì)各軸系提供牢固可靠的支承，而且要達(dá)到節(jié)省材料、潤滑充分等要求，難點(diǎn)在于對(duì)差速器總成的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，經(jīng)過優(yōu)化形成以下設(shè)計(jì)方案。

　　圖2 定軸齒輪同軸式減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　支撐差速器總成的左右軸承孔，均與殼體一體鑄造。在機(jī)加工時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)殼體一次裝夾同時(shí)加工出各個(gè)孔位，從工藝上保證了差速器軸安裝位具有良好的尺寸精度和支撐剛度，有利于提升減速器NVH性能。

　　在圖上差速器左軸承的支承位使用了可拆卸的半圓軸承蓋，半圓軸承蓋采用兩個(gè)螺栓與殼體相連。

　　減速器裝配過程中，只需拆開半邊軸承蓋，就可輕易在裝入各個(gè)齒輪及差速器，達(dá)到了較好裝配工藝性。

　　在殼體壁上設(shè)置合理的導(dǎo)油筋，引導(dǎo)油液對(duì)各個(gè)軸承位進(jìn)行充分潤滑，同時(shí)降低攪油損失。

　　2 計(jì)算校核

　　根據(jù)所選的參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，先用UG NX11.0建出同軸式電驅(qū)橋的完整數(shù)模，然后采用MASTA分析軟件，將電驅(qū)橋數(shù)模導(dǎo)入到MASTA中進(jìn)網(wǎng)格劃分，建立了有限元模型，先進(jìn)行齒輪和軸承的校核，再分析殼體的強(qiáng)度和剛度。

　　齒輪分析依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336：2006進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核，結(jié)果各級(jí)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，均小于許用應(yīng)力要求。

　　軸承的校核在最大工況下滿足強(qiáng)度要求，但是在額定工況下，中間軸所用軸承不滿使用壽命需求，所以對(duì)中間軸的軸承進(jìn)行選型加強(qiáng)，增加了軸承的外徑，重新計(jì)算后可達(dá)到了10萬公里以上的使用壽命。

　　減速器殼體采用常見的球墨鑄鐵材料QT500，經(jīng)過分析，最大應(yīng)力點(diǎn)在差速器軸承的支承位置如圖3所示，但在峰值扭矩下的最大應(yīng)力為104.7MPa<屈服強(qiáng)度320MPa，滿足強(qiáng)度要求。殼體的最大變形量位于半圓軸承蓋上，該處軸承孔位最大變形量為0.061mm，也滿足剛度的要求。

　　圖3 減速器殼體的有限元分析云圖

　　3 試驗(yàn)測試

　　設(shè)計(jì)方案確定后制造出了電驅(qū)橋樣件(如圖4)，對(duì)樣件進(jìn)行了臺(tái)架疲勞試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、性能試驗(yàn)等，由于前期進(jìn)行過詳細(xì)的CAE分析及相應(yīng)改進(jìn)，試驗(yàn)結(jié)果與CAE分析結(jié)論十分接近。

　　圖4 同軸橋臺(tái)架試驗(yàn)

　　為測試實(shí)際道路行駛情況，將同軸式電驅(qū)橋安裝到整車上，進(jìn)行道路NVH測試。測試采用LMS采集系統(tǒng)，同時(shí)采集驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速、電驅(qū)橋的噪聲值和振動(dòng)值等。為了能區(qū)分減速器各部位的噪聲水平，采用測量階次噪聲的方法，經(jīng)計(jì)算一級(jí)齒輪副的嚙合階次為76，二級(jí)齒輪副的嚙合階次為322。經(jīng)實(shí)際道路行駛測試，得出各工況下的76階次和322階次的噪音。與相同動(dòng)力性能的偏軸式電驅(qū)橋測試結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同軸橋減速器的齒輪階次噪聲平均優(yōu)于后者2～3dB(A)。

　　綜上所述，開發(fā)的新結(jié)構(gòu)同軸式減速器，各參數(shù)滿足甚至有的好于預(yù)定要求。

　　4 結(jié)束語

　　1)結(jié)合現(xiàn)有問題和市場實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種采用定軸式齒輪作同軸減速器的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)后橋。

　　2)該電驅(qū)橋減速器采用新型的殼體支承結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸入軸與輸出軸共軸傳動(dòng)，解決了電機(jī)安裝偏置問題。

　　3)對(duì)減速器總成進(jìn)行了極限工況下的強(qiáng)度和剛度仿真分析，并改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案。

　　4)制造出了產(chǎn)品樣件進(jìn)行臺(tái)架測試和整車試驗(yàn)，獲得了比偏軸減速器電驅(qū)橋更好的效果，完全滿足使用要求。