新能源汽车高效率长寿命低噪音变速箱技术分析

王升平

摘 要：高速齿轮箱是新能源汽车电驱动系统的关键功能部件，其效率、寿命与噪声直接决定整车的性能与可靠性。文中陈述了新能源汽车变速器的优点及类型，对变速器关键技术进行了分析，对开展高速齿轮变速箱正向设计和关键零部件制造技术等，推进新能源汽车产业战略布局具有重要意义。

关键词：新能源汽车 变速器

Abstract：High-speed gearbox is the key functional component of the electric drive system of new energy vehicles， and its efficiency， life and noise directly determine the performance and reliability of the whole vehicle. This paper states the advantages and types of new energy vehicle transmissions， analyzes the key transmission technologies， and is of great significance for the forward design of high-speed gear gearboxes and the manufacturing technology of key parts， and promotes the strategic layout of the new energy vehicle industry.

Key words：new energy vehicles， transmissions

1 引言

新能源电动汽车的电机由于具有低速，即使转速为零也可以产生很大转矩和转速非常广的0-7000rpm工作范围这两个典型特点，在没有搭载离合器与变速器的情形下，电动汽车仍然可以正常工作，来完成行驶的基本功能。但是，可以不用变速器，不等于一定不用变速器。给电动汽车匹配上合适的变速箱，可以如虎添翼。高速齿轮变速箱是新能源汽车电驱动系统的关键功能部件，其效率、寿命与噪声直接决定整车的性能与可靠性。然而，目前我国在高速齿轮箱载荷谱构建及集成设计方法、多物理量综合作用系统效率与热平衡设计、复杂多场非线性耦合多体动力学行为分析、轮齿复杂曲面修形和表面质量精准调控等关键制造技术、驱动电机与传动总成高效率化匹配等技術领域未完全攻克，这成为新能源汽车电驱动系统集成的一大障碍。目前，一体化、高速化、大速比是电驱动系统发展的趋势。在高速齿轮箱技术上的落后成为制约新能源汽车电驱动系统产业升级的“卡脖子”问题。

2 新能源汽车搭载变速器的优缺点及变速器类型

新能源汽车动力驱动系统中（如图1）是否搭载变速器既有优势也有不足。当驱动系统中无变速器时，驱动电机由于特别广的工作转速范围，不可避免地会产生转速变化过程中强烈的电磁干扰和噪声问题，电池组也会因为过于频繁的功率变化使其内部各电池单元电量出现不均匀，降低了电池组寿命。加装变速器后，电机转速可以控制在合理的区间内变化，避免频繁改变电机功率，实现电机与电池组使用寿命的提高；而离合器具有传输、断开转矩的功能，也有扭矩减震功能，如果无离合器，则电驱动传动系统需匹配额外的减震装置或减震算法；在行驶经济性方面，装上变速器后通过换挡，可使电机处于效率更高的区域。在行驶动力性方面，装载变速器，通过变速器的传动比将驱动电机的高转速转变为高转矩，使整车的加速性能提高，动力性更加强劲。在生产成本方面，装载变速器可以有效地减少电机指标与电池指标而达到相同的性能。

新能源汽车变速器技术复杂、变速箱供应链及整车厂集成控制能力都比较弱，多数厂家生产不出来，致使部分汽车厂家不用变速箱。随着造车新势力的崛起和技术进步，目前新能源汽车纯电动、混合动力型多采用单级变速器，如：特斯拉、北汽电动车、比亚迪e5、帝豪EV等。优点是：成本低、结构简单易安装、故障率小、动力损失小、体积小。

缺点是：当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间，所以的速度受到制约，高速经济性不高。在固定功率相同的条件下，采用异步电动机的电动车车速更快，但是和固定齿比变速箱匹配之后，速度却没有提升。即便是加速强悍的特斯拉，在中后段的加速表现同样不佳，这就是受固定齿比变速箱的影响。纯电动汽车搭载两速变速器，耗电量低，加速性能强，但开发难度也非常大。理想中的电动车多齿比变速箱须具备体积小、质量轻、传动效率高的特点，未来或发展为多级变速器来适应能耗要求的提升，如两挡变速器、同轴变速器、集成电子断开差速器的变速器、集成发动机电机发电机的变速器等新型变速器，它们在轻量化、小型化、结构布局、系统效率、高功率密度等方面表现出优良性能。

3 新能源汽车变速器的关键技术分析

3.1 变速箱载荷谱构建技术

汽车传动系统在实际运行中受到的载荷是变化的，表现为扭矩和速度是变化的，不同档位所使用的频繁程度即每档所用时间也不相同，三者之间对应关系，就是载荷谱。有了实际工况的载荷谱，即有了准确的设计输入条件，就可以得到传动系统各零件在载荷谱条件下的实际受力情况，从而可以得到准确的计算结果。研究典型路面的不平度检测技术与路面信号的时频转换方法，获取典型路面不平度和土壤特征参数，形成路面谱重构方法；研究典型路面中载荷数据获取和处理方法，分析不同工况下的统计特性；研究多路面多工况下载荷谱和设计谱间的高匹配度复现方法，形成多变工况下新能源汽车齿轮型载荷谱构建技术，见图2。

3.1.1 载荷谱架构与采集测试方法

针对新能源汽车驱动系统全生命周期真实载荷获取困难这一问题，基于多点多参数同步测量方法，搭建新能源汽车齿轮箱载荷谱有线测试及近程遥感信号测试系统，进行复杂动态工况下转速、转矩、温度、振动等信号的同步获取，结合多准则决策技术，研究确定典型工况下载荷最小样本长度。基于降噪滤波、趋势项及奇异点消除、超阈法等信号处理技术，研究典型工况下的载荷情况获取及冲击极值载荷的识别方法，分析路况调研和实车测试数据，建立工况模式标准样本，构建工况模式识别模型。

3.1.2 齿轮箱载荷谱数据库构建

针对全新开发产品设计阶段无法通过实测方法获取载荷谱的难题，基于不同款车辆在同一路面场景模型下运行载荷幅值不同但各工况时间占比接近的特点，建立整车传动系统模型，结合基于大数据统计的不同区域的路面场景模型，研究全新开发的新能源汽车齿轮箱系统载荷谱预测方法。研究现有运行车辆的实测载荷谱，统计归纳形成系列新能源汽车齿轮箱的载荷谱数据库。

3.2 高效率低噪音长寿命变速箱关键技术

3.2.1 多物理量综合作用系统效率与热平衡特性

针对新能源汽车齿轮在狭小空间限制下存在的润滑不良、散热不好、效率受限等问题，研究高效率、长寿命齿轮箱润滑流场与齿轮副接触面摩擦润滑状态，掌握齿面油液比例分布及变化规律。分析表面粗糙度和齿面弹性润滑状态等对共轭齿面摩擦的影响规律，建立考虑表面粗糙度和齿面润滑状态下齿轮传动摩擦系数的理论计算模型；基于复接头图画表示法与基本回路方法进行行星轮系传动效率分析，建立高效率长寿命低噪音齿轮箱传动效率精准化计算数学模型。

3.2.2 系统动态可靠性及疲劳寿命设计与预测

基于非稳态工况下构建的多场耦合载荷谱数据库和热、弹、流、固多场耦合作用下系统的多体动力学特性和传热模型，从材料强度退化宏观特征出发，分别采用平稳随机过程、Poisson随机过程和Gamma随机过程对疲劳载荷和极端载荷及零件强度退化规律进行描述，综合考虑零件失效模式的相关性，构建各独立零件寿命的边缘分布函数，引入 Copula理论对零件失效过程的相关性进行描述，揭示系统疲劳寿命与各独立零部件疲劳寿命之间的关系，建立基于失效相关的系统疲劳寿命预测模型，实现高效高精长寿命低噪音齿轮箱可靠性及寿命预测，提高系统寿命与可靠性。

3.2.3 系统复杂多场非线性耦合多体动力学特性

针对高效高精长寿命低噪音新能源汽车齿轮箱的非线性多体动力学精确间建模问题，研究电机、齿轮传动系统和刹车系统等子系统间的拓扑关系，提出子系统间的多自由度非线性耦合因子求解方法，分析子系统间动力学约束关系，建立高效高精长寿命低噪音齿轮箱非线性多体系统动力学模型和基于刚柔耦合的齿轮传动系统平移-扭转多体动力学模型，分析齿轮传动系统的动态特性。

3.2.4 齿轮传动系统设计分析软件及平台构建

结合数字化和计算机技术，构建服役工况下齿轮副、传动轴和壳体等关键部件虚拟装配的减速器整体数字化模型；基于服役工况构建三维虚拟运行场景，仿真虚拟监控减速器整体和关键部件的承载和形变等宏观性能和接触应力、传递误差和动力学响应等微观性能，寻求出虚拟运行时齿轮啮合的接触应力、传动误差和动力学响应综合考量的齿廓优化曲线。

3.3 高精度长寿命齿轮关键制造技术

针对齿轮箱精度要求高、服役寿命长的设计要求，开展齿轮组织与性态热处理精细化控制技术研究，形成典型齿轮件变控制工艺方法；开发轮齿形性调控技术，研究低噪声齿面几何构建方法，形成齿根曲线优化技术；分析研磨、光整、喷丸等不同工艺组合对传动齿轮疲劳性能的影响，开展不同工艺条件下標准齿轮件的疲劳性能对比试验，形成高性能齿轮表层改性工艺方法，见图3。

3.3.1 组织与性态热处理精细化控制技术

研究高精度长寿命齿轮渗碳层内碳含量与硬度梯度分布规律的关联关系，结合产品工况载荷，分析晶粒尺寸、碳化物含量、残余奥氏体量、马氏体含碳量及形态等因素对硬化层强韧性的影响规律，揭示组织结构对疲劳性能的影响规律与微观机制；分析齿轮心部硬度对韧性和疲劳强度的影响规律，优化渗碳工艺并控制表层黑色组织、氧化、脱碳、微观裂纹等缺陷；研究齿轮尺寸、冷却条件、心部硬度、残余奥氏体含量等指标对渗层残余应力场的影响机理，形成组织优化工艺控制方法。

3.3.2 轮齿复杂曲面修形及三截面精度一致性保证技术

基于铁木辛可梁单元理论的阶梯轴的刚度矩阵、基于滚动轴承五自由度理论的刚度矩阵、基于代数多重网络快速线性有限元并行算法的箱体缩聚节点刚度矩阵构建齿轮箱系统数字化受载耦合模型，以齿轮箱系统势能最小为搜索目标精确计算考虑轴、轴承、壳体的齿轮箱系统变形，根据齿面切片算法，以齿面接触应力、传递误差、动态响应多目标优化分析轮齿复杂曲面修形，同时提取齿向、齿廓三截面的修形曲线要求。

3.3.3 长寿命齿轮复合喷丸调控技术

研究基于复合喷丸的表面强化技术，确定喷丸材质、喷丸速度、喷丸时间和颗粒大小对齿轮齿根弯曲疲劳强度、残余压应力分布影响机制，以及工艺参数对应表面织构形貌的摩擦学性能，结合齿面喷丸微观结构和磨损失效形式分析，探索减磨微结构减少啮合摩擦和温升，延长齿轮寿命方法，并且以效率、成本和强化效果的综合指标最优化为目标，确定最佳表面处理工艺。

3.4 高效高精长寿命低噪音齿轮箱系统集成技术

基于大数据云平台，通过智能网联获取整车实际运行工况大数据，统计研究整车典型工况载荷谱，提出整车特征性能要求；结合整车性能要求，包络动力总成性能，并基于大数据库优化性能参数；分解动力总成性能参数，结合电机特性及齿轮箱传动特性，运用自主设计软件程序实现最佳输入与输出的配套，完成驱动电机性能的设计，并通过传动设计软件优化传动系传动比，实现系统效率最高化以及驱动系统电机与传动总成高效率化匹配。

基金项目：广东省普通高校特色创新项目“新能源汽车高效率长寿命低噪音齿轮箱关键技术研究”（2020KTSCX335）。