電動汽車輪邊驅動系統(tǒng)齒輪箱效率分析

摘要：在當前節(jié)能環(huán)保理念的影響下，新型的電動汽車應運而生。其特點是不使用傳統(tǒng)燃油，減少對環(huán)境的污染；利用新型驅動方式減少高耗能現(xiàn)象，屬于新型能源汽車類型。輪邊驅動系統(tǒng)就是電動汽車的獨有的新型驅動方式，其傳動的效率直接關系到整車的傳動效率。研究輪邊驅動系統(tǒng)的效率主要在于分析其齒輪箱的效率。基于此，筆者重點探討了電動汽車輪邊驅動系統(tǒng)齒輪箱總效率，以供同行參考。

關鍵詞：電動汽車；輪邊驅動系統(tǒng)；齒輪箱；效率分析

一、新能源汽車輪邊驅動系統(tǒng)概述

新能源汽車主要運用蓄電池、燃料電池及超級電容來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內燃機汽車動力源，因此其具備區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的驅動系統(tǒng)。新能源汽車特有的驅動形式是輪邊驅動系統(tǒng)，其能夠直接將電機安裝在車輪的輪轂中，不僅可以對離合器、變速器、主減速器及差速器等傳動部件的省略，而且優(yōu)化了整車結構，提高了傳動的效率，同時還可以對車輪運用電子控制及進行電子差速控制。依據(jù)驅動方式，可以將其劃分為直接驅動式和減速驅動式兩種。

（一）直接驅動式輪邊驅動系統(tǒng)

直接驅動式的輪邊驅動系統(tǒng)主要運用低速外轉子電機驅動，無需設置齒輪減速裝置，只需在車輪輪轂上直接安全電機外轉子，電機轉速等同于車輪轉速，電動機轉速的控制直接決定車速的控制。該類型電驅動方式傳動效率較高，結構簡便，無需設置齒輪減速裝置。但是當其車輪的體積及質量相對較大時，技術要求較高，經濟成本也較高。同時因電機和車輪整合為一個整體，導致整車的非簧載的質量有所增加，降低了駕駛的舒適程度。

（二）減速驅動式輪邊驅動系統(tǒng)

減速驅動式的輪邊驅動級系統(tǒng)主要包含了高速電機、齒輪減速裝置及車輪等，當前主要使用的是行星齒輪減速器作為其齒輪減速裝置。該類型的減速器能夠實現(xiàn)同軸減速，具有傳動比大，體積小等優(yōu)點，但其非簧載質量過大的缺點并沒有得到改善。與之相比，單擺臂懸架式減速裝置在減速的同時可將部分非簧載質量等效成簧載質量，提高了汽車行駛過程中的舒適度，是更加理想的減速裝置。

本文所研究的輪邊驅動系統(tǒng)中的齒輪箱就是以單臂懸架式減速裝置為基礎。該型齒輪箱具有外殼扁平，結構緊湊等特點。內部采用二級斜齒輪傳動，潤滑方式為攪油潤滑。

二、齒輪箱功率損失的計算

（一）攪油功率損失

齒輪箱的攪油功率損失主要來源于潤滑油與齒輪箱內部元件的摩擦損耗。攪油損失的影響因素主要包括潤滑油粘度、輸入轉速、工作溫度、齒輪螺旋角和齒輪的浸油深度。本文使用英國標準（AGMA IS014179-1）給出適用于高轉速下的攪油損失計算公式。攪油損失包括3部分：與光軸外徑有關的攪油損失；與盤光面有關的攪油損失；與齒面有關的攪油損失。攪油損失的總功率Pc的計算公式如下：

（公式1）

在上述公式中，代表齒輪的浸沒因子，代表運動的粘度，cSt；代表元件的工作轉速，r/min；D0代表元件的外部直徑，mm；L代表元件的長度，mm；Ag代表配置的常數(shù)；B代表齒輪的寬度，mm；Rf代表粗糙度的因子；代表斜齒輪的輪螺旋角，如果<10°的時候，應取為10°進行計算。

（二）風阻功率損失

風阻的損失主要是小齒輪和大齒輪在齒輪箱的油氣空間中進行旋轉而產生的能量損失。通過計算風阻損失能夠確保更加精確地求得齒輪箱的總效率。

Anderson和Loewenthal分別給出了計算風阻損失的主要計算方法。該計算方法綜合齒輪箱內的油氣混合物的動力粘度，計算公式如下：

（公式2）

Pw代表風阻損失功率，kW；B代表齒輪的寬度，m；r代表齒輪的分度圓半徑，m；n代表齒輪的轉速，r/min；μ代表齒輪箱的內油氣混合物的動力粘度，cP。

（三）斜齒輪嚙合的平均效率

運用積分法得出斜齒嚙合傳動的平均效率公式如下：

（公式3）

在上述公式中，K代表，B的系數(shù)；R1代表關于，，z1，，B的函數(shù)；R2代表，，，B的函數(shù)。縱上所述，斜齒輪的嚙合效率和主動輪齒數(shù)z1，從動輪齒數(shù)z2，傳動比i，螺旋角，法面模數(shù)Mn，齒寬B，法面壓力角，法面齒頂高系數(shù)和摩擦系數(shù)等相關參數(shù)有關。

（四）軸承功率損失

軸承的效率基本上都是通過實驗測得，通常在潤滑條件較好的狀況下，滾動軸承的效率值大約為0.980-0.995；滑動軸承的效率值大約為0.970-0.990。所以通常將軸承的效率取值為0.990。

三、輪邊驅動齒輪箱總效率

由以上分析可知，齒輪的嚙合損失與軸承損失相互串聯(lián)，攪油損失與風阻損失相互并聯(lián)。因此，可以得出齒輪箱的總效率計算公式如下：

（公式4）

在該公式中，代表的是齒輪箱的總效率，代表的是軸承的效率；代表的是嚙合的效率；代表的是主動輪攪油及風阻的效率；代表的是從動輪的攪油及風阻的效率；代表齒輪箱內部軸承的數(shù)量；b代表齒輪箱級數(shù)。在（公式4）中，嚙合的效率可以通過（公式3）求得，軸承的效率的值也已經確定。而齒輪的攪油及風阻的效率可以通過以下公式進行計算。

（公式5）

其中代表單個齒輪的輸入功率，代表攪油的功率損失，代表的是風阻的功率損失。

四、輪邊驅動系統(tǒng)齒輪箱總效率分析

（一）輪邊驅動系統(tǒng)齒輪箱工況參數(shù)設定

齒輪箱的總效率不僅與其設計參數(shù)有關，也與其的工作環(huán)境條件相關。在齒輪箱尺寸確定的前提下，其總效率主要與輸入功率P，輸入轉速n，潤滑油的運動粘度v，潤滑油的浸沒齒高倍數(shù)k，齒面間滑動摩擦系數(shù)和齒輪箱內油氣混合物動力粘度μ等因素有關。輸入功率和輸入轉速取定值P=10kW，n=10000 r/min。齒輪箱內油氣混合物動力粘度對效率影響不明顯，取定值μ= 0.1cP。本文主要選取齒輪箱的總效率作為主要的影響參數(shù)。潤滑油運動粘度v，潤滑油浸沒齒高倍數(shù)k，齒面間滑動摩擦系數(shù)為變量。其中，v的定值為60，變化區(qū)間為30-120，k的定值為0.8，變化區(qū)間為0.5-1.2，的定值為0.06，變化 區(qū)間為0.04-0.10。

（二）齒輪箱工況參數(shù)對總效率的影響分析

文章運用Matlab軟件將試樣齒輪箱在不同的工作環(huán)境參數(shù)條件小的效率變化曲線等進行繪制，得出了運動粘度、高速大齒輪齒高倍數(shù)、摩擦系統(tǒng)和總效率的關系如下：當位于給定的變化區(qū)間范圍內，輪邊驅動系統(tǒng)的齒輪箱的總效率分別隨著潤滑油的運動粘度和潤滑油的浸沒高速大齒輪的齒高倍數(shù)的增加而不斷下降，齒輪箱的總效率隨著齒面間的滑動摩擦系數(shù)的增加也逐步下降。

由上可知，影響齒輪箱總效率的主要因素是高速級齒輪的效率，低速級的齒輪效率隨著摩擦系數(shù)的增加而顯著變化，低速級的齒輪的嚙合損失在總損失中占據(jù)的比重較大。運動粘度也顯著的影響到齒輪箱的總效率，和低速級的齒輪比較，同等條件下，高速級的齒輪的效率值相對較低，損失的功率更多。當工作環(huán)境的參數(shù)恒定時，經計算可以得到電動車輪邊驅