作者：皮旭明、劉德福丨EDC電驅(qū)未來 

本文從驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器（變速器）的連接方式等方面分析了故障產(chǎn)生的機(jī)理，并采集了純電動(dòng)汽車道路試驗(yàn)的載荷譜作為設(shè)計(jì)輸入條件，對(duì)減速器及內(nèi)部差速器進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析，最后提出了典型故障模式的解決方法，提高其可靠性。

純電動(dòng)汽車經(jīng)過近十年的高速發(fā)展，其傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性、可靠性問題也值得我們深入研究。純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)包括與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的減速器和減速器內(nèi)含轉(zhuǎn)彎差速的差速器總成。差速器的輸出半軸齒輪與驅(qū)動(dòng)半軸相連，純電動(dòng)汽車在道路試驗(yàn)及售后使用時(shí)常出現(xiàn)差速器故障、驅(qū)動(dòng)半軸斷裂、動(dòng)力中斷和轉(zhuǎn)彎異響等問題。

近年來，隨著純電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，其減速器可靠性的研究也取得了一些成果。這些研究均基于傳統(tǒng)燃油車思維對(duì)電動(dòng)汽車的可靠性進(jìn)行研究，沒有針對(duì)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)其故障原因及可靠性進(jìn)行分析。本文首先分析了純電動(dòng)汽車減速器的一些常見但特有的故障，然后通過理論計(jì)算及仿真分析技術(shù)，挖掘出純電動(dòng)汽車減速器故障的產(chǎn)生機(jī)理，提出了一套提高減速器可靠性的方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

純電動(dòng)汽車減速器的常見故障

從純電動(dòng)汽車整車廠、減速器零部件廠收集了傳動(dòng)系統(tǒng)的常見故障問題：差速器行星齒輪斷齒、行星齒輪軸斷裂、差速器殼體斷裂、驅(qū)動(dòng)半軸斷裂、減速器殼體以及懸置位置開裂和減速器內(nèi)軸承出現(xiàn)散架。

純電動(dòng)汽車減速器失效機(jī)理分析

純電動(dòng)汽車減速器早期失效概率明顯高于傳統(tǒng)的燃油汽車，主要原因是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)差異較大。如圖1所示的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性曲線可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩。電機(jī)低速起步轉(zhuǎn)矩即可達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩，在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是不變的。轉(zhuǎn)速增加即可進(jìn)入最大功率恒功率區(qū)，隨后隨轉(zhuǎn)速的增加轉(zhuǎn)矩開始下降。

圖1 某型號(hào)永磁同步電機(jī)的外特性曲線

圖2 某型號(hào)內(nèi)燃機(jī)的外特性曲線

如圖2所示的某型號(hào)內(nèi)燃機(jī)的外特性曲線中，內(nèi)燃機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需要轉(zhuǎn)速支持，最大功率也需要隨轉(zhuǎn)速增加至6 000 r/min時(shí)才能到達(dá)最大值。傳統(tǒng)燃油車起動(dòng)需要短暫的延遲來實(shí)現(xiàn)離合器從分離到接合，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器之間是剛性花鍵連接或一體軸沒有離合器，因此純電動(dòng)汽車起步明顯快于傳統(tǒng)燃油車。

而急加速也是如此，傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力仍然會(huì)有一定延遲，因?yàn)樽兯倨餍枰禉n（降檔時(shí)間需要0.8～1.2 s），這時(shí)候動(dòng)力就會(huì)慢一拍。而純電動(dòng)汽車減速器沒有檔位不需要換檔，所以提速更快一些。再加上發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間連接有離合器、減振器和雙質(zhì)量飛輪等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有過濾和緩沖，因此純電動(dòng)汽車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求更苛刻，這就是同功率同轉(zhuǎn)矩純電動(dòng)汽車百公里加速時(shí)間比傳統(tǒng)燃油車要短的原因，當(dāng)然，汽車加速度還取決于驅(qū)動(dòng)輪的最大打滑轉(zhuǎn)矩。

汽車行駛方程式為：式中：Ttq為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i0為主減速器傳動(dòng)比；ig為變速器傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)效率；r為輪胎半徑；G為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為整車行駛坡度；a'為加速行駛時(shí)的加速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（δ＞ 1）。

根據(jù)汽車行駛的附著條件與汽車的附著率計(jì)算公式可得作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面法向反作用力為：

式中：b為汽車質(zhì)心到后軸的距離；h g為汽車質(zhì)心的高度；L為汽車軸距。

聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

式中：φ為附著系數(shù)。

對(duì)于前驅(qū)轎車而言，當(dāng)其在一定的坡度上加速行駛時(shí)，加速度a' 逐漸增大，作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面法向反作用力F Z1逐漸減小。由于地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪切向反作用力F t的極限值，即附著力Fφ與驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力FZ1成正比，當(dāng)加速度a' 達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，則可得：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大時(shí)，F t＞FX1 = Fφ= FZ1φ，驅(qū)動(dòng)輪打滑，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的這個(gè)臨界值被稱為打滑轉(zhuǎn)矩。聯(lián)立式（2）、式（3）和式（4）可得到打滑轉(zhuǎn)矩為：

式中：Ttq為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

對(duì)幾款前驅(qū)純電動(dòng)汽車及一款同類型的傳統(tǒng)燃油車的最大打滑轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，最大驅(qū)動(dòng)力等于前輪附著力FXbmax=Fφ=FZ φ=61.5% mgφ。滾動(dòng)阻力系數(shù)f取0.008 3，附著系數(shù)φ取0.9，傳動(dòng)效率ηT取0.95。計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)表1可以看出，傳統(tǒng)燃油車的1檔最大輸出轉(zhuǎn)矩接近于輪胎最大打滑轉(zhuǎn)矩，而2檔最大輸出轉(zhuǎn)矩就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輪胎最大打滑轉(zhuǎn)矩，從駕車習(xí)慣來看，1檔一般只用于起步和爬陡坡，使用頻次并不高，而純電動(dòng)汽車可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩起步、加速超車，使用頻次較高，尤其是共享網(wǎng)約車、出租車司機(jī)，追求動(dòng)力性和時(shí)間的最大價(jià)值，較少考慮電耗、車輛的維護(hù)保養(yǎng)，因此對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求更加苛刻。

純電動(dòng)汽車減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.利用載荷譜加速故障過程

由于純電動(dòng)汽車減速器的設(shè)計(jì)載荷譜缺失，一般變速器企業(yè)采用《QC/ T 1022-2015 純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》作為設(shè)計(jì)載荷譜，但由于該載荷譜與實(shí)際載荷譜之間存在著較大差異，比如汽標(biāo)中載荷譜最大轉(zhuǎn)矩循環(huán)時(shí)間太長(zhǎng)，而反拖發(fā)電轉(zhuǎn)矩循環(huán)時(shí)間太短，未體現(xiàn)加減速?zèng)_擊載荷等。

表1 不同廠家電動(dòng)汽車輪胎打滑轉(zhuǎn)矩對(duì)比

表2 純電動(dòng)汽車道路試驗(yàn)載荷譜

為了得到較為準(zhǔn)確的純電動(dòng)汽車減速器的設(shè)計(jì)載荷譜，首先必須依據(jù)用戶的使用情況以及各種路面情況進(jìn)行實(shí)車道路載荷譜采集。常用的實(shí)車道路載荷譜采集方法為常規(guī)路面按比例采集法。對(duì)于用戶實(shí)際使用條件下的標(biāo)準(zhǔn)載荷譜，按照我國(guó)的道路情況，多采用城市公路、城郊公路、一般公路、高等級(jí)公路以及壞路等路面,按照一定比例合成的綜合道路載荷譜，從而實(shí)現(xiàn)獲得與實(shí)際使用工況等效壽命載荷譜的目的。表2是通過某純電動(dòng)汽車整車道路試驗(yàn)采集的載荷譜，采集了20個(gè)工況，選取了4個(gè)工況。按照此工況進(jìn)行完臺(tái)架試驗(yàn)后，整車道路試驗(yàn)也能一次通過，并且售后故障率很低。

某型號(hào)減速器根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)工況對(duì)軸承基本損傷率進(jìn)行校核和臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果均一次性通過，但在整車道路試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)輸入軸前軸承保持架都散架。而根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)工況的CAE分析結(jié)果是輸入軸前軸承的損傷率遠(yuǎn)比輸入軸后軸承低。后來將輸入工況改成表2載荷譜后，CAE分析結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)都未通過，并且連續(xù)三臺(tái)臺(tái)架試驗(yàn)樣箱的輸入軸前軸承保持架都散架。經(jīng)與軸承廠家聯(lián)合分析，造成保持架損壞的主要原因是變轉(zhuǎn)矩時(shí)的沖擊力過大，尤其是高速制動(dòng)能量回收工況。而高速軸承為尼龍保持架，抗沖擊能力差，后來改成鋼保持架的軸承后，順利通過了臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)。

2.提高仿真分析能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用MASTA軟件對(duì)電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，將設(shè)計(jì)載荷譜輸入后，可對(duì)殼體應(yīng)力、齒輪、軸承壽命和NVH等進(jìn)行仿真分析。

差速器的仿真分析需要聯(lián)合多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS、有限元分析軟件Abaqus和有限元前處理軟件HyperMesh等，差速器設(shè)計(jì)的總體技術(shù)思路如圖3所示。

圖3 差速器設(shè)計(jì)的技術(shù)思路

將差速器總成三維模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置材料屬性、約束關(guān)系等參數(shù)，建立差速器運(yùn)動(dòng)仿真模型。

將輸入載荷工況導(dǎo)入ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型中，分析差速器齒輪嚙合過程中的嚙合力變化和差速器齒輪嚙合激勵(lì)頻譜圖，如圖4所示。差速器齒輪嚙合過程中的嚙合力變化直接影響到齒輪接觸應(yīng)力和NVH性能，差速器總成失效和轉(zhuǎn)彎異響與嚙合力變化范圍息息相關(guān)。

3.齒輪制造工藝優(yōu)化提升

對(duì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎異響、行星齒輪軸斷裂和差速器殼體開裂等故障的減速器總成進(jìn)行拆解分析，重點(diǎn)對(duì)差速器內(nèi)直齒錐齒輪的相鄰兩齒跳動(dòng)、齒圈軸向位移Δf AM、軸向最大間隙進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3中的1#、2#、3#差速器齒輪均為故障件。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可看出齒輪精度較低，造成齒輪精度低的主要原因是錐齒輪的加工工藝落后，先采用刨、銑齒機(jī)加工銅極，然后采用電火花加工出鍛造模具，由于經(jīng)過三輪傳遞，導(dǎo)致精度下降；而采用高速銑削加工中心，直接在模具鋼上進(jìn)行雕刻加工，加工出鍛造模具，沒有經(jīng)過誤差的傳遞，齒輪精度較高，對(duì)改進(jìn)加工工藝后的4#、5#、6#差速器齒輪相鄰兩齒跳動(dòng)、齒圈軸向位移Δf AM、軸向最大間隙進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3，從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出錐齒輪精度能提高了1～2級(jí)，齒輪接觸區(qū)也有明顯改善，裝車測(cè)試后轉(zhuǎn)彎異響消除，重新進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)后，行星齒輪軸未出現(xiàn)斷裂，差速器殼體也未出現(xiàn)開裂。

表3 差速器齒輪檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 差速器總成動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果

結(jié)論

通過對(duì)純電動(dòng)汽車在道路試驗(yàn)和售后故障模式的收集與分析，從傳統(tǒng)燃油車和純電動(dòng)汽車動(dòng)力外特性、連接方式、最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及輪胎最大打滑轉(zhuǎn)矩的差異性分析可以從機(jī)理解釋這些故障現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，并提出了如下提升純電動(dòng)汽車可靠性的解決方案:

（1）合理地采集實(shí)車路譜，經(jīng)處理作為設(shè)計(jì)載荷譜是純電動(dòng)汽車減速器設(shè)計(jì)、仿真分析和臺(tái)架試驗(yàn)等可靠性驗(yàn)證的前提，否則，以上結(jié)論對(duì)整車道路試驗(yàn)不具備參考價(jià)值，也規(guī)避了售后質(zhì)量問題的發(fā)生。

（2）通過將合理載荷譜輸入MASTA傳動(dòng)系統(tǒng)模型、ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型中，可對(duì)減速器殼體、軸承和差速器等可靠性安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，可從設(shè)計(jì)層面大幅減低減速器殼體開裂、軸承散架等故障風(fēng)險(xiǎn)。

（3）通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以優(yōu)化差速器錐齒輪的接觸應(yīng)力分布，優(yōu)化差速器錐齒輪制造工藝可以提高錐齒輪的精度，從而解決純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)彎異響、差速器殼體開裂及行星齒輪軸斷裂等故障。

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