油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)潤(rùn)滑油量的研究

摘要：油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)的發(fā)熱來自于減速器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、油泵的功率損失，因此通過對(duì)功率損失研究計(jì)算，可得發(fā)熱量（功率損失即為發(fā)熱量）。通過計(jì)算得出總的功率損失，設(shè)定全部發(fā)熱由潤(rùn)滑油帶走，即可選擇出符合需求的油泵和換熱器，即可得到換熱器和油泵的容量；再通過對(duì)各潤(rùn)滑點(diǎn)的發(fā)熱量研究，可計(jì)算出各潤(rùn)滑點(diǎn)所需的潤(rùn)滑流量，從而計(jì)算出油管直徑，即可得到油路中的油量。通過設(shè)計(jì)方案圖可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)腔底油量；再依據(jù)減速器的油量標(biāo)準(zhǔn)，確定減速器的油量。通過上述的研究計(jì)算就可確定油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)加油量。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；發(fā)熱量；散熱量；功率損失

隨著新能源汽車一體化動(dòng)力總成的發(fā)展，對(duì)高效、高功密、低噪聲的需求越來越高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式已經(jīng)難以滿足高溫對(duì)動(dòng)力總成的性能和壽命的影響，因此逐步被液冷所取代。

油冷技術(shù)由于具有良好的散熱效果和潤(rùn)滑作用，得到了大力發(fā)展。高度集成化可使電驅(qū)系統(tǒng)尺寸大幅減小以支持新能源車型的緊湊布局，輕量化可使新能源車輛本身的負(fù)載降低以提升續(xù)駛里程及操控性，二者驅(qū)使著電動(dòng)機(jī)的冷卻方式由水冷向油冷的方向發(fā)展。

由此提出現(xiàn)在的油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)，如圖1所示。所謂油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)，是基于油冷電動(dòng)機(jī)加減速器組成，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)一體化。冷卻系統(tǒng)一體化。然而，這種基于油冷電動(dòng)機(jī)及強(qiáng)制潤(rùn)滑技術(shù)的電驅(qū)集成系統(tǒng)，減速器采用飛濺潤(rùn)滑和強(qiáng)制潤(rùn)滑，電動(dòng)機(jī)的冷卻和減速器的潤(rùn)滑共用一個(gè)油冷系統(tǒng)，因此潤(rùn)滑注油量確定要同時(shí)兼顧機(jī)械潤(rùn)滑、電動(dòng)機(jī)散熱及系統(tǒng)效率等諸多影響。

相對(duì)于傳統(tǒng)減速器，確定油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)油量成為了一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：冷卻油量過多影響總成效率且增加成本；冷卻油量過少，熱容有限，電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)高功率運(yùn)行會(huì)使?jié)櫥蜏囟燃眲∩撸瑢?dǎo)致潤(rùn)滑油黏度減小，使摩擦副中的潤(rùn)滑油膜難以形成，不僅會(huì)加劇磨損，而且會(huì)增加噪聲，甚至導(dǎo)致泄漏。

油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)的注油量目前均是利用樣機(jī)的試驗(yàn)得來數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)分析階段沒有相應(yīng)計(jì)算方法指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)，因此很有必要對(duì)注油量的數(shù)學(xué)計(jì)算方法加以研究。油冷電驅(qū)動(dòng)集成系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)原理如圖2所示。

油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)總功率損失（發(fā)熱量）

P總=P電+P泵+P減 " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中 P總——油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)總功率損失；

P電——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率損失；

P泵——油泵功率損失；

P減——減速器總功率損失。

1.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量P電

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率損失P電主要包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)鐵損PFe、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械損耗Pfw及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)附加損耗Pad等。

P電=PFe+Pfw+Pad=CFe（E1/f1）2（f1/f1n）a+Cfw[f1（1-S）]3+0.005P2

（2）

式中 CFe——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)鐵損常數(shù)；

E1 ——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

f1——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子頻率；

f1n——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子額定步率；

a——指數(shù)，取值a=1.5～2；

Cfw——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)械損耗常數(shù)；

S——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率；

P2——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出功率。

2.油泵功率損失P泵

油泵常用的有兩種：一種為減速器內(nèi)齒輪軸驅(qū)動(dòng)的油泵（機(jī)械泵），其功率損失P泵S；另一種為電動(dòng)油泵，其功率損失P泵M。

P泵=P泵S或P泵M或兩者都用P泵S+P泵M。

P泵S=pQ/（60ep） " " " " " " " " " " " "（3）

P泵M=Ep（em/ep） " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中 p——潤(rùn)滑工作壓力，MPa；

Q——潤(rùn)滑油流量，L/min；

ep——油泵效率；

Ep——電動(dòng)油泵功率，kW；

em——電動(dòng)油泵的電動(dòng)機(jī)效率。

3.減速器總功率損失P減

減速器的總功率損失包括齒輪功率損失、行星架攪油風(fēng)阻損失、軸承功率損失、油泵功率損失和油封功率損失。計(jì)算時(shí)參考ISO TR 14179-1、AGMA 6123-B06和SCHAEFFLER滾動(dòng)軸承樣本。其中，AGMA和ISO兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采納了相同計(jì)算原理和方法，AGMA 6123-B06考慮了內(nèi)嚙合與外嚙合的不同之處，因此，在計(jì)算內(nèi)嚙合功率損失時(shí)，AGMA 6123-B06更為合理。滾動(dòng)軸承功率損失依據(jù) SCHAEFFLER 滾動(dòng)軸承樣本。

減速器的總功率損失（也即總發(fā)熱量）P減是齒輪功率損失PML、齒輪攪油風(fēng)阻損失PGW、行星架（差殼）攪油風(fēng)阻損失PCC、軸承功率損失PB和油封功率損失PS的總和。

P減=PML+PGW+PCC+PB+PS " " " " " " " （5）

（1）齒輪嚙合功率損失PML 由于減速器有行星輪結(jié)構(gòu)和平行軸式結(jié)構(gòu)，因此齒輪嚙合有行星齒輪嚙合、平軸式齒輪嚙合和差速器錐齒輪嚙合。

行星齒輪結(jié)構(gòu)齒輪嚙合功率損失

PML=（PMLE+PMLI）NCP " " " " " " " " "（6）

平行軸式外嚙合齒輪功率損失

PML=PMLE+PMLM " " " " " " " " " " " " （7）

1）外嚙合。行星輪結(jié)構(gòu)減速器和平行軸式減速器中的外嚙合齒輪均適用下述計(jì)算公式。

外嚙合功率損失

PMLE=?eTenscos2βwe/（9549Me） " " " " " （8）

外嚙合摩擦系數(shù)

?e=μ-0.223Ke-0.4/（3.239Ve0.7） " " " " " " "（9）

外嚙合載合強(qiáng)度

Ke=1000Te（Zs+Zp）/（2bwerws2Zp） " nbsp; （10）

外嚙合機(jī)械效率

Me=2cosαwe（Hse+Hte）/（Hse2+Hte2） " " " "（11）

外嚙合嚙入處的滑動(dòng)比

Hse=（ue+1）[（rop2/rwp2 –cos2αwe）0.5-sinαwe] （12）

外嚙合嚙出處的滑動(dòng)比

Hte=[（ue+1）/ue][（ros2/rws2–cos2αwe）0.5-sinαwe] "（13）

式中 Te——小齒輪/太陽(yáng)輪扭矩（單對(duì)嚙合），N·m；

ns——小齒輪/太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；

βwe——外嚙合工作螺旋角，°；

μ——工作油溫下的潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

Ve——外嚙合節(jié)線速度，m/s；

Zs——小齒輪/太陽(yáng)輪齒數(shù)；

Zp——大齒輪/行星輪齒數(shù)；

bwe——外嚙合有效嚙合齒寬，mm；

rws——太陽(yáng)輪工作節(jié)圓半徑，mm；

αwe——外嚙合端面工作壓力角，°；

ue——外嚙合的齒數(shù)比，即大齒輪/行星輪齒數(shù)Zp

與小齒輪/太陽(yáng)輪齒數(shù)Zs之比；

rop——大齒輪/行星輪外圓半徑，mm；

rwp——大齒輪/行星輪工作節(jié)圓半徑，mm；

ros——小齒輪/太陽(yáng)輪外圓半徑，mm；

2）內(nèi)嚙合。行星輪結(jié)構(gòu)減速器和平行軸式減速器中的內(nèi)嚙合齒輪均適用下述計(jì)算公式。

內(nèi)嚙功率損失

PMLI=?iTinpcos2βwi/9549Mi； " " " " " "（14）

內(nèi)嚙合摩擦系數(shù)

?i=μ-0.223Ki-0.4/（3.239Vi0.7） " " " " " "（15）

內(nèi)嚙合載合強(qiáng)度

Ki=1000Ti（ZR+Zp）/（2bwirwp2ZR） " " "（16）

內(nèi)嚙合機(jī)械效率

Mi=2cosαwi（Hsi+Hti）/（Hsi2+Hti2） " " " " " （17）

內(nèi)嚙合嚙入處的滑動(dòng)比

Hsi=（ui-1）[sinαwi-（riR2/rwR2 –cos2αwi）0.5] " " "（18）

內(nèi)嚙合嚙出處的滑動(dòng)比

Hti=[（ui-1）/ui][（rop2/rwp2–cos2αwi）0.5-sinαwi] " "（19）

式中 Ti——行星輪扭矩，N·m；

βwi——內(nèi)嚙合工作螺旋角，°；

Vi——內(nèi)嚙合節(jié)線速度，m/s；

ZR——內(nèi)齒圈齒數(shù)；

bwi——內(nèi)嚙合有效嚙合齒寬，mm；

αwi——內(nèi)嚙合端面工作壓力角，°；

ui——內(nèi)嚙合的齒數(shù)比，即大齒輪/內(nèi)齒輪齒數(shù)ZR

與小齒輪/行星輪齒數(shù)ZP之比；

riR——大齒輪/內(nèi)齒圈內(nèi)圓半徑，mm；

rwR——大齒輪/內(nèi)齒圈工作節(jié)圓半徑，mm；

rop——小齒輪/行星輪外圓半徑，mm。

3）圓錐齒輪嚙合功率損失PMLM。圓錐齒輪嚙合功率損失適用于差速器錐齒輪和垂直軸結(jié)構(gòu)的減速器里的錐齒輪嚙合。

計(jì)算圓錐齒輪嚙合功率損失時(shí)，采用的是當(dāng)量齒輪。圖3和圖4所示分別為等高齒和收縮齒的相關(guān)參數(shù)。

圖3 等高齒示意

圖4 收縮齒示意

圓錐齒輪嚙合功率損失

PMLM=?mT1n1cos2βm/（9549M） " " " " （20）

嚙合摩擦系數(shù)

?m =μ-0.223Km-0.4/（3.239Vm0.7） " " " " " （21）

嚙合載荷強(qiáng)度

Km=1000T1（Z1+Z2）/（2bwrm12Z2）N/mm2 " "（22）

嚙合機(jī)械效率

M=2cosαtm（Hs+Ht）/（Hs2+Ht2） " " " " " （23）

端面壓力角

αtm=arctan（tanαn/cosβm） " " " " " " " "（24）

嚙入處的滑動(dòng)比

Hs=（uν+1）[（rvem22/rvm22 –cos2αtm）0.5-sinαtm] " "（25）

嚙出處的滑動(dòng)比

Ht=[（uν+1）/uν][（rvem12/rvm12–cos2αtm）0.5-sinαtm]（26）

當(dāng)量傳動(dòng)比

uν=rvm2/rvm1 " " " " " " " " " " " " " "（27）

小輪和大輪當(dāng)量中點(diǎn)分度圓半徑rvm1和rvm2計(jì)算公式

rvm=Rmr/Recosδ " " " " " " " " " " " "（28）

小輪和大輪當(dāng)量中點(diǎn)頂圓半徑rvem1和rvem2計(jì)算公式

rvem=rvm+ham " " " " " " " " " " " " " （29）

齒寬中點(diǎn)齒頂高

hαm=hαe-0.5btan（δα-δ） " " " " " " " " " " （30）

式中 T1——小齒輪扭矩，N·m；

n1——小齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；

βm——齒寬中點(diǎn)螺旋角，°；

Z1——小齒輪齒數(shù)；

Z2——大齒輪齒數(shù)；

bw——有效嚙合齒寬，mm；

rm1——小輪中點(diǎn)分度圓半徑，mm；

αn——節(jié)圓法向壓力角，°；

r——大端節(jié)圓半徑，mm；

Rm——中點(diǎn)錐距，mm；

Re——大端錐距，mm；

δ——分錐角，°；

δα——頂錐角，°，對(duì)于等高齒，頂錐角δα等于

分錐角δ；

b——齒寬，mm；

hae——大端齒高，mm。

（2）齒輪攪油風(fēng)阻損失 齒輪的攪油風(fēng)阻損失PGW由三部分組成：外徑PGW1、側(cè)面PGW2、齒面PGW3三者之和。對(duì)于錐齒輪，根據(jù)上面的公式計(jì)算攪油風(fēng)阻損失時(shí)，采用大端的尺寸和齒形能數(shù)。

1）齒輪外徑攪油風(fēng)阻損失

PGW1=7.37?gμn3D4.7L/Ag1026 " " " " " " "（31）

2）齒輪側(cè)面攪油風(fēng)阻損失

PGW2=1.474?gμn3D5.7/Ag1026 " " nbsp; " " " "（32）

3）齒面攪油風(fēng)阻損失

PGW3=7.37?gμn3D4.7FR?/Ag1026 " " " "（33）

式中 PGWi——單個(gè)元件功率損失，i=1、2、3， kW；

?g——齒輪浸油系數(shù)，當(dāng)齒輪不浸入沒中時(shí)取

0，全部浸入取1，部分浸入時(shí)根據(jù)浸入

深度和齒輪外徑在0和1之間線性比值；

D——元件外徑，mm；

Ag——布置常數(shù)，0.2；

F——總齒寬，mm；

R?——粗糙度系數(shù)，R?=7.93-4.648/ mt；

L——元件長(zhǎng)度，mm；

β——螺旋角，°，小于10°時(shí)取10°；

mt——端面模數(shù)，mm。

（3）行星架（差殼）攪油風(fēng)阻損失。

PCC=Ac?cμnc3Dc4.7Wc/1026 " " " " " " " "（34）

式中 Ac——行星架（差殼）布置常數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)

或經(jīng)驗(yàn)取值；

?c——行星架（差殼）浸油系數(shù)，計(jì)算方法同

?g；

nc——行星架（差殼）轉(zhuǎn)速，r/min；

Dc——行星架（差殼）外徑，mm；

Wc——行星架（差殼）寬度，mm；

（4）滾動(dòng)軸承功率損失。

PB=（M0+M1+M2）nB/9549 " " " " " " "（35）

1）空載摩擦力矩M0

M0=10-10?0（μnB）2/3dm3（μnB≥2000） " " " " （36）

M0=160×10-10?0dm3（μnB＜2000） " " " " " （37）

2）負(fù)載摩擦力矩M1

M1=10-3?1P1dm，N·m " " " " " " " " " （38）

3）軸承軸向摩擦力矩M2

M2=10-3?2Fadm，N·m " " " " " " " " " （39）

式中 nB——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

dm——軸承中徑，dm=（di+d0）/2，mm； 軸承孔徑

di，軸承外徑d0；

Fa——軸承的軸向力，N。

注意：如果圓柱滾子軸承承受軸向力時(shí)則加上此力矩，不受軸向力為零；當(dāng)圓柱滾子軸承受軸向力時(shí)滾動(dòng)體端面和軸承內(nèi)/外擋邊之間的滑動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生附加摩擦力矩。

空載摩擦系數(shù)?0、負(fù)載摩擦系數(shù)?1、圓柱滾子軸承軸向摩擦系數(shù)?2、摩擦力矩決定載荷P1等查軸承手冊(cè)，如SCHAEFFLER滾動(dòng)軸承樣本。

（5）油封功率損失PS。

PS=TSn/9549 " " " " " " " " " " " （40）

式中 TS——油封扭矩，氟橡膠TS=3.737×10-3DS；丁

腈橡膠TS=2.429×10-3DS；

N——油封軸轉(zhuǎn)速，r/min；

DS——油封軸直徑，mm。

2.箱體本身散熱PQ

箱體本身的散熱根據(jù)ISO/TR 14179-1標(biāo)準(zhǔn)里提供的計(jì)算方案計(jì)算如下：

PQ=Ack?T " " " " " " " " " " " " "（41）

式中 Ac——箱體表面積，m2；

K——對(duì)流換熱系，kW/（m2·℃），見表1；

?T——為油池與環(huán)境溫度差，℃。

表1 對(duì)流換熱系數(shù)k

空氣速度v/（m/s） k/（kW/（m2·℃））

2.5 0.015

5 0.024

10 0.042

15 0.058

箱體散熱PQ由減速器箱體散熱PQ1和電動(dòng)機(jī)箱體散熱PQ2之和，即

PQ=PQ1+PQ2 " " " " " " " " " " " "（42）

油泵、換熱器的設(shè)計(jì)選型

1.油泵選型

根據(jù)總流量進(jìn)行油泵選型，以確定油泵容積V油

Q總=60×106（P總-PQ）/ξρC?T " " " " "（43）

式中 ξ——潤(rùn)滑油有效利用率，一般取0.8；

ρ——潤(rùn)滑油密度，kg/m3，一般取875；

C——潤(rùn)滑油比熱容，J/（kg·℃），一般取1870；

?T——潤(rùn)滑油溫升，℃，一般取30。

油泵的選型依據(jù)整車的附件控制電壓、電流及上述計(jì)算出的總流量Q總即可選出。選出的油泵后就得到油泵容積V油。

2.換熱器選型

換熱器的散熱量

P換=P總-PQ " " " " " " " " " " " " " " （44）

根據(jù)散熱量和總流量Q總可設(shè)計(jì)選用相應(yīng)的換熱器，即可得到換熱器的容油量V換。

管路直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定管路容積

管路內(nèi)徑

di=1000× " " " " " " "（45）

式中 "Qi——單個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)所需流量，Qi =60×

106Pi/（ξρC?T），L/min；

Pi——單嚙合副或單個(gè)軸承功率損失或其他單

個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的功率損失（具體見油冷電驅(qū)

集成系統(tǒng)總功率損失相關(guān)計(jì)算），kW；

v——管路內(nèi)油流速度，m/s，一般取2～3；

V管= " " " " " " " " "（46）

Li為各潤(rùn)滑管路的長(zhǎng)度，可以直接從三維圖中得出（見圖5和圖6）。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)腔底油量V電

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)腔底油量是指整車水平放置時(shí)，油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)（見圖7）的安裝位置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回油孔最下邊沿以下部分的藏油量，此部分型腔可以計(jì)算出來，或都參考文章《一種利用Creo快速求解變速器加油量的方法》可得出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)腔底油量V電。

圖7 油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)

減速器油量

減速器油量V減根據(jù)減速器的油量標(biāo)準(zhǔn)確定，各減速器設(shè)計(jì)廠家均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)可以參考文章《某型電驅(qū)減速器加油量的確定》，再結(jié)合文章《一種利用Creo快速求解變速器加油量的方法》即可確定減速器油量V減。

結(jié)語

綜上所述，油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)的加油量為V油+V換+

V管+V電+V減（L）；計(jì)算出的油量為理論加油量，該油量對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)階段輕量化設(shè)計(jì)、成本預(yù)算提供指導(dǎo)作用；為CFD分析提供加油量的理論依據(jù)，大大縮短設(shè)計(jì)分析時(shí)間。同時(shí)為油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)潤(rùn)滑和效率試驗(yàn)提供了初始加油量，縮短試驗(yàn)時(shí)間，因此也大大提升了項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省開發(fā)成本；再結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)修改相應(yīng)計(jì)算系數(shù)可以得到較準(zhǔn)確的加油量。

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