純電動汽車減速機潤滑性能改善的研究

張廣杰　莊磊

摘 要：為了改善純電動汽車減速機在低轉速，高扭矩時潤滑不良造成軸承失效的問題，在不改變內部整體結構的前提下，通過控制齒輪與殼體之間的距離，改變齒輪與殼體之間形成的局部空間的尺寸，進而改變齒輪與殼體之間的壓力，達到為潤滑油增壓的效果，使得齒輪帶動的液體潤滑油上升的位置更高，并且潤滑油在脫離齒輪瞬間具備更高的速度，改善潤滑油噴射的距離和流量，同時，利用nanofluidx流體分析軟件對比分析了不同方案的潤滑情況。

關鍵詞：潤滑 純電動汽車 減速器

1 前言

近幾年，新能源汽車發(fā)展迅速，滲透率不斷提升，根據中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2022年新能源汽車產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%。新能源汽車主要采用電機加減速機的驅動型式，電機的動力曲線決定了電機啟動瞬間可以達到最大扭矩，且由于客戶不斷追求整車的動力性和加速性，起步階段通常會使用峰值扭矩[1]，如圖1所示。此時，齒輪箱輸入載荷最大，使得齒輪和軸承的受力也最苛刻，其中尤其是輸入軸軸承，為了滿足電機的高轉速要求，通常采用球軸承，而球軸承對潤滑條件的要求更高。球軸承利用滾動接觸的集中來承載負荷，提高局部的壓力和應力，因此需要很好的潤滑和接觸 表面，來避免進一步的應力集中。所以潤滑好壞直接影響球軸承的使用壽命，但是當軸承處于邊界潤滑的狀態(tài)時，繼續(xù)延長使用時間，則會產生金屬間的直接接觸，在無潤滑劑的情況下，金屬間的相互摩擦會縮短軸承的使用壽命，對軸承的損害極大。反之，潤滑劑充足時，金屬間被潤滑劑完全隔開，就會減少金屬間的相互摩擦，進而延長軸承使用壽命[2]。潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等都有重要影響，得不到充分的潤滑，軸承就不能正常工作。分析軸承損壞的原因表明，40%左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸承摩擦和磨損的有效措施。這就要求產品開發(fā)階段要特別重視對減速機的潤滑分析。

2 原因分析

新能源減速機內部結構簡單，主要由三根軸，三對軸承和兩對齒輪組成，如圖2所示。新能源汽車減速機的潤滑方式主要有兩種，主動潤滑和飛濺潤滑，其中，主動潤滑除了需要增加電子油泵，熱交換器，過濾系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)外，還需要合理設計噴油口的位置，不僅增加成本，對生產環(huán)境，清潔度及下線測試等方面的要求都大大提高。通常情況下，除了與油冷電機共用潤滑系統(tǒng)的集成式動力總成和超高速（最高輸入轉速＞16000rpm）減速機采用主動潤滑外，減速機的潤滑方式一般以飛濺潤滑為主。飛濺潤滑是靠密封在箱體中的回轉零件的旋轉線速度（5m/s

關于飛濺潤滑效果的改善，有兩種方式，一是合理設計導油槽，通過導油槽把潤滑油直接導入潤滑部位，二是先把分散的油液集中到集油槽，再經過設計好的油路流入到潤滑部位，但這里有一個先決條件，就是要有一定量的潤滑油能夠到達需潤滑部位附近，如果距離太遠，是無法實現(xiàn)的。為此，如前文所述，我們知道，由于輸入軸離輸出軸上的大齒輪較遠，在低速情況下，大齒輪甩出的油很難到達輸入軸，需要優(yōu)化。

3 方案優(yōu)化

本文借助nanofluidx軟件，基于粒子法，對減速機的潤滑情況進行了分析[2]，減速機基本參數，如表1所示，發(fā)現(xiàn)該減速機在輸入轉速1000rpm時，輸出軸大齒輪線速度僅為0.86m/s，穩(wěn)定10s的情況下，大齒輪甩起的油液只能勉強到達中間軸，并且油量較少，輸入軸上的齒輪和軸承根本無法得到充分潤滑，如圖3-4所示，圖中紅色為液體潤滑油狀態(tài)，藍色為油霧狀態(tài)，同時不同顏色也表示油量的多少。

為了改善輸入軸及軸承的潤滑條件，較簡單的辦法是增加油量，但使用潤滑油的量越多，攪油損失也隨之增加，在飛濺潤滑時，齒輪系統(tǒng)在工作過程中會產生嚙合摩擦功率損失、風阻功率損失和攪油功率損失，其中，攪油功率損失約占上述總功率損失的30%[3-4]，這不僅影響齒輪箱的綜合效率，還勢必增加客戶生產成本及總成重量，甚至在某些極端情況下可能造成潤滑油泄露的質量風險，不能滿足客戶使用要求，引發(fā)終端用戶抱怨。

在研究了潤滑分析數據之后，我們看到在系統(tǒng)穩(wěn)定時，大齒輪攪動潤滑油達到一定高度后，沒有足夠的動力把油位帶到更高，且由于潤滑油被甩出時的速度較低，使得甩出的潤滑油油量小且距離近。若要進一步提高大齒輪甩油的油量和距離，只能借助于外力。在此，我們考慮利用控制齒輪與殼體之間的距離的方式，通過改變齒輪與殼體之間形成的局部空間的尺寸，進而改變齒輪與殼體之間的壓力，達到為潤滑油增壓的效果，使得潤滑油離開大齒輪后噴射速度更大，距離更遠。

根據前后殼體的潤滑情況，為了提升大齒輪帶起的油液高度、油量和噴射速度，我們選擇在潤滑油量開始減少的截面位置作為改變殼體與齒輪之間距離的起點，如圖5-6所示。

在同樣的工況下進行了潤滑分析，與原方案相比，油量被大量抬升，離開大齒輪的潤滑油噴射距離明顯增加，大量潤滑油達到輸入軸及軸承位置，能夠滿足輸入軸的潤滑要求。如圖7-8所示。

在監(jiān)測面位置，我們對改進前后的流量和攪油扭矩變化進行了對比，如圖9-10所示，在穩(wěn)定10s后，流量差在5L/min左右，攪油扭矩攪油扭矩差在0.01Nm左右。

我們進一步壓縮殼體與齒輪之間的距離，如圖11所示，繼續(xù)為潤滑油增加壓力。分析后發(fā)現(xiàn)，部分液體潤滑油確實被抬到了更高位置，但離開大齒輪的潤滑油噴射的距離和流量并沒有明顯增加，如圖12-13所示。主要是由于壓力增大的同時，摩擦阻力也進一步增加[5]，真正被提升到高位的總流量增加有限。我們設置了流量監(jiān)測面，監(jiān)控了不同方案下的流量和攪油扭矩變化，如圖14-15所示，在穩(wěn)定10s后，流量差在1L/min左右，攪油扭矩又增加了0.01Nm左右。

4 結論

通過研究發(fā)現(xiàn)，改變齒輪與殼體之間的距離，即改變齒輪與殼體之間形成的局部空間的尺寸，可以提升該空間的局部壓力，達到為潤滑油增壓的作用，進而提升潤滑油飛濺的距離，實現(xiàn)為輸入軸提供足夠油量的目的，該方案是可行的，但距離的該變量需要進行詳細分析和充分驗證，才能找到最優(yōu)解，因為過小的距離，不僅不能改善潤滑效果，還有可能造成異響等其它質量問題。

資助：

湖南創(chuàng)新型省份建設專項（2021GK4033）。

參考文獻：

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