眾所周知，高速比高扭矩會對傳動裝置引發更大的噪聲、振動和不平衡性，因此多級減速驅動的初級驅動通常是上述噪聲、振動和不平衡性主要來源。雖然通常需要平行軸差速器來提供軸間隙，但可以使用同軸初級驅動來最大限度地降低噪聲、振動和不平衡性，或支持更高的電機速度以提高效率。Orbitless 傳動是一種新的本輪齒輪結構，理論上證明它比行星級或平行軸級齒輪結構具有更高的效率和更低的噪聲、振動和不平衡性，因為它的內部速度更低，齒輪嚙合更少。
本工作描述了 Orbitless Drives Inc.、Romax Technology Ltd.和 Linamar Corp.之間的一項合作，以證明將 Orbitless 驅動作為電動汽車驅動系統中的主要減速級的實際好處。它包括以下內容：
-Orbitless 傳動的設計可以集成到 Romax Designer 軟件中
-滿足電動汽車主要減速驅動器指定的要求
-Romax Designer 用于設計和優化 Orbitless 和行星級的傳動設計以滿足規范要求
-模擬器的性能和原有相關傳動的性能指標比較
-Orbitless 和行星傳動原型構建電動汽車質量標準
-安裝 Orbitless 的原型在測力計上并對其性能指標測試
-與模擬預測相比較的實際性能指標。
新穎性：
Romax Designer 此前僅支持行星和平行軸配置，增加對 Orbitless 的設計支持后，我們在此討論一下相關的挑戰。
在過去，Orbitless 驅動器已經開發和評估，僅小批量為驅動系統提供應用，而且很少進行幾何參數優化。Orbitless 的詳細設計、優化和仿真將是同類工作中的第一個需求，電動汽車規模化開發應用也是如此。
Orbitless 的理論特性有可能使其在汽車電動汽車市場上成為一種顛覆性的技術，只要不遇到實際障礙。物理樣機的設計、優化、施工和評估同時證明了這一新技術的實用性和影響力。
系統簡介
Orbitless 傳動是一款創新性的固定速比、行星輪系傳動系統，結構中包含兩個行星架且用第二個行星架代替齒圈的應用，也正是這樣創新性的結構使得 Orbitless 傳動比傳統的行星輪系傳動具有更高的傳動效率，而且振動峰值也更小、在人耳可聽到頻率范圍內的噪聲輻射也更小，但獲得這種性能會相對降低些許扭矩傳遞能力。工程師可在產生噪聲最多的傳動級（通常是齒輪箱的輸入級）使用 Orbitless 傳動，以進一步降低噪聲輻射。
了解 Orbitless 傳動
Orbitless 傳動是能夠應用至各種場合的傳動系統，具有傳動效率高、NVH 噪聲低、極高或極低地速比、高輸入轉速等優點，其典型應用場景很多，例如：運動控制系統、機器人傳動、新能源汽車電驅傳動、工業傳動、電力設備傳動和風力發電等。采用傳統的齒輪技術，通過不同的集成方式創造噪聲更低的傳動系統，涉及諸多因素：輪齒修形、材料、潤滑技術和聲音阻尼技術等。Orbitless 傳動之所以噪聲較小主要由于下面幾個設計因素：首先，在行星輪系中去除了齒圈零件，減少了 50%的輪齒嚙合數量；其次，節圓線速度大約降低 50%，減小了相關噪聲的幅值和頻率；再次，Orbitless 不使用齒圈，不需要考慮裝配過程中行星輪與齒圈的嚙合相位問題，因此裝配精度要求較低，使用成本更低的直齒輪就能獲得類似于斜齒輪的 NVH 性能。
Orbitless傳動的尺寸大小與傳統的行星輪系減速器相近，齒輪箱也能夠形成不同大小尺寸的系列化產品，且使用與傳統齒輪箱相似的標準零件。Orbitless傳動不需要使用特殊的材料或加工工藝，主要是在零件動能布置上進行了創新，獲得其最大的優勢和價值，也是下圖中各種新型傳動平臺的技術基礎。
圖
1
：
Orbitless
傳動平臺的不同布局和選項
Orbitless 電驅傳動項目是加拿大 NRC-IRAP 部分贊助的項目，此項目中 Romax Technology將其傳動仿真算法進一步拓展，能夠支持 Orbitless 傳動幾何參數的計算和研發，因此能夠在其標準的 Romax Nexus 軟件平臺中開發新型的機械可靠、低 NVH、高傳動效率的電驅傳動系統，并且與利納馬配合，滿足與更高轉速電機匹配的要求。在此項目中，我們主要聚焦于開發和生產高性能、低噪聲、高效率的傳動系統。
圖 2 –項目伙伴
當前的汽車市場日新月異，整個業界都面臨從內燃機技術向混動和電動化技術轉變的挑戰與要求。在未來的十年，電動化的進程將大大轉變整車的基本布局和結構。然而，業界當前把大部分精力放在電池技術和電機技術創新，很少真正提及或研發出新的齒輪傳動技術，大家都覺得電動化后齒輪箱變得不重要，其實這是錯誤的，因為齒輪箱直接與 NVH 性能相關。主機廠要花費幾百萬美元來降低齒輪噪聲，才能滿足電動化安靜行車的要求。
Orbitless 傳動正是映襯著這些背景下的齒輪傳動發明，具有較好的 NVH 性能和較高的傳動效率。但與其他新發明的科技一樣，在進入傳統的、保守的汽車市場之前，它需要證明自身的性能和可靠性。
近年來，隨著 CAE 仿真的不斷進步已經改變了必須靠試驗的現象，越來越多的項目都采用先進的虛擬樣機、虛擬仿真手段來減少設計開發時間。
Orbitless 傳動的時機也恰到好處，我們剛剛能夠獲得適合的仿真工具，快速、準確地評估新概念和新技術，最終能夠快速將此技術推向應用。
對于汽車動力總成行業，這意味著需要滿足世界上最嚴格的運行參數和法規參數。低 NVH、高傳動效率、低成本、足夠的可靠性是一款高質量動力總成必不可少的素質。
Romax Technology 已經在汽車傳動領域建立了良好的聲譽，擅長虛擬樣機、分析仿真、電動化傳動系統開發等領域。本項中的挑戰在于，Orbitless 傳動的結構和參數是否可在 Romax 仿真平臺中進行建模，完成分析和技術，并給出準確、可信的分析結果。
目標和分工
此項目有效地證明，從系統級角度對電驅傳動系統進行建模與分析更加能夠降低開發風險、加速產品應用周期。項目合作伙伴也是經過仔細挑選，皆是有所長：Orbitless 傳動公司，是項目經理公司，領導整個項目，提供傳動系統的知識產權、原始理論計算和設計輔助；利納馬公司，負責齒輪箱的制造；Romax Technology，負責軟件平臺仿真、機電系統工程設計等；NRC-IRAP 為項目提供啟動資金支持，使得項目能夠順利進行。
本項目對一級電驅傳動鏈創建了完整的系統級設計和分析，適用于 16000rpm 轉的高速電機，項目中對 Orbitless 傳動的 NVH 性能進行了分析，從而獲得其優勢性能。項目中決定采用試驗臺與驅動電機對比的方法來進行，可更加清晰地分析出 Orbitless 傳動獨立的性能和優勢。項目中還需要設計一個傳統的行星輪傳動系統，以對比 Orbitless 傳動和傳統行星傳動的優劣勢等。
圖
3:
概念設計
- 1
級
Orbitless
傳動結構
設計和分析流程
整個項目團隊系統地評估和對比不同的設計，以分析軸承性能、齒輪錯位量來獲得最小的傳動誤差和最高的傳動效率。在開發過程中，團隊做了一些設計決策，以優化 NVH 性能為主要方向，不是支持更大的扭矩能力。在此我們也要特別提出，在封裝尺寸范圍內增加二級高扭矩傳動也是可行的，但不是本項目的核心目標。
在項目的初期，Romax 主要聚焦在 4 個主要方面。第一，處理偏置行星架的平衡問題，這也是 Orbitless 設計的核心方面；第二，軸承選型和軸承尺寸，盡量使用標準軸承型號也是項目的目標；第三，行星架尺寸和材料選擇，以降低錯位量影響；第四，聚焦于齒輪的幾何參數設計與優化，以最好地使用 Orbitless 的優勢 – 互質齒數和順序嚙合，使用三個完全相同的行星輪，讓裝配更加便捷。
虛擬結果
最初的結果滿足之前的預期，傳動效率大于 98%、傳動誤差較小、能夠使用標準軸承、滿足接口和封裝尺寸。整個系統的潤滑設計也滿足要求，最終的結果將在我們完成物理樣機裝配和測試之后得以驗證。
效率
在 Orbitless 傳動與行星輪系設計的對比中，已經發現 Orbitless 的齒輪嚙合功率損失比行星輪系低 40%，軸承的數量相對于傳動行星輪系要多一些，軸承的功率損失會大一些。與高速電機配合使用時，Orbitless 傳動的線速度更低，軸承的平均性能也更好，因此總體效率和壽命性能都更好。在當前的模型中的嚙合損失未能考慮潤滑油性能的直接影響，在此方面，我們認為 Orbitless也具有更好的效率性能。
傳動誤差
基本的行星架和齒輪設計完成后，我們在 Romax 軟件中設計并優化齒輪的微觀修形（既可手動、也可自動修形）來降低傳動誤差，這些結果讓我們可以在 50-150Nm 載荷循環范圍內選擇最佳的運行區域。
圖 5 – 傳動誤差 VS 扭矩
軸承
軸承是系統安全可靠運行的關鍵零件，而且 Romax 在過去 25 年里，積累了全球領先的軸承設計與分析能力。在本項目中，Romax 發揮其軸承能力優勢，能夠定量評估諸多復雜運行條件下的效果、軸承的可靠性和可行性等。例如，偏置行星架錯位量對軸承損傷度的影響等。依據分析結果，項目團隊進行系統工程決策并執行，之后還對系統建立了創新性的動力學模型，分析偏置行星架運動對模態振型、共振帶的影響。未來，在此領域還會進行更多工作，進一步優化軸承選型和軸承性能等。
在整個設計中，我們認為 Orbitless 傳動會比行星傳動更具優勢但未能充分證明的是潤滑方面。理論上，Orbitless 傳動應該具有更好的潤滑屬性，因為其采用較淺的浸油潤滑，而行星輪系采用更加深的浸油潤滑或強制潤滑。項目的下一階段將進一步優化設計，制造 Orbitless 傳動的樣機，進行測試并與仿真結果進行對比。我們預計將會測試出預期的結果，而且也能給出更加準確的潤滑性能與優勢。
圖 7 – 第二版概念設計，帶有潤滑通道
總體說來，項目成功地提升了 Orbitless 傳動的技術完整性和準備，為電動汽車提供系統級傳動應用，從設計、分析到提升可靠性、降低風險方面做了充分工作，為電動化趨勢做好準備。
從方法論概念結構選擇至詳細設計，本項目展示出 Orbitless 傳動用于電動汽車的可行性和實踐性，能夠開發出滿足行業標準的產品。
初步的設計迭代顯示出潛在的優勢。下一階段，我們計劃進一步分析產品的優點和缺點，并進行相應的優化。這將讓汽車行業在電動化轉變的過程中，有另一種傳動系統可選，作為主電驅傳動系統。
