分享丨用于高效电动车的创新的高速动力传动系统方案

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随着时间的推移，电气化传动系统越来越多地采用高速方案，原因在于高速方案具有最高的功率密度，可以减轻整体质量。然而，由于输入转速较高，特别是对于桥减速器而言，高速方案在效率、承载能力以及噪音、振动和平顺性（NVH）特性等方面带来了一些新挑战。Speed2E合作项目是在德国慕尼黑理工大学齿轮和传动结构研究所（FZG）的领导下进行的研究，他们针对一台高性能传动系统样机进行了研究。该项目的研究成果对于纯电动车（BEV）的开发目标将有所助益。

前言

德国联邦经济和能源部（BMWi）与传动技术研究联合会（FVA）合作推动的Speed2E项目旨在开发和研究用于电气化汽车的高速传动系统，其运行转速可达 30000 r/min。此合作项目涉及多个合作单位，包括德国慕尼黑理工大学齿轮和传动结构研究所（FZG）、汉诺威莱布尼兹大学机器结构与摩擦学研究所、传动系统与功率电子学研究所、达姆施塔特理工大学机器结构机电系统研究所、麦格纳-格特拉克公司和伦茨系统工程公司。在Speed2E项目中，他们研究了一种基于两个电传动单元和一个具有两个平行分支传动机构的可变速器的新型传动系统方案，其中一个平行分支传动机构具备换档功能。该样机的布局经过精心设计，以便在最高运行转速下进行广泛的试验研究，包括效率、润滑和振动特性等方面。最后阶危??窃贔ZG万能试验台上进行了试验研究。

1、动力传动方案

该动力传动系统是基于一款C级前轮驱动样车，其最高车速可达160 km/h而设计的。由两个分支变速器构成的车桥变速器（参见图1和图2），由两个相同结构的永磁同步电机驱动，其转速可达30000 r/min。分支变速器Ⅰ（TGⅠ）是一个两级前轮驱动变速器，传动比为21，可在电机最高转速下实现最高车速160 km/h。另外，分支变速器Ⅱ（TGⅡ）是一个三级变速器，具有两个档位，初始传动比为32，高效档位传动比为15。两个分支变速器通过一个共享的差速器机械连接。由于其结构功能强大，因此可以实现无间断的换档以确保牵引力。此外，两个分支变速器上的灵活功率分配提供了实施提高能量效率或减少运行噪声辐射的换档策略的可能性。



图1 动力传动系统结构示意图（a）及其齿轮系（b）



图2 车桥变速器

2、变速器结构和啮合设计

变速器的铝壳体由三个部分组成，并在与合作伙伴麦格纳-格特拉克公司的合作中进行设计。设计考虑到两个分支变速器可以在试验台上方便地进行单独的装配和拆卸。铝壳体已经按照机器零件强度验证（FKM）规程进行了静态和动态承载能力的验证，使用有限元模型作为基础。承载能力验证的基础是承载了由啮合所产生的轴承支承力。为了更准确地确定轴承支承力，使用了FVA的RIKOR软件进行了轴承支承力的计算，并考虑了在反复过程中壳体刚度的降低。此外，通过基于有限元的变形分析，对壳体轴承座进行了加强，以确保承载轴的倾斜度最小。

由于转速条件的限制，对变速器的输入级和预应力X布置的混合动力主轴承提出了更高的要求。为了针对高输入转速，FZG为TG1输入级设计，麦格纳-格特拉克公司制造了多种不同的啮合方案（图3），以研究各种不同啮合几何对效率和振动特性的影响。所有的方案都具有相同的轴距，这样可以方便地改装和试验不同的啮合方案。基准方案是根据自动变速器的技术要求设计的，具有良好的承载能力和无激励的几何性能。

为了提高效率，采用了一种低损耗的啮合方案，该方案通过具有非常小的齿轮齿形轮廓接触面来最大程度地减少啮合中的滑动。然而，由于运行转速越来越高，根据啮合的固有频率（在该频率下，齿轮会在切线方向上相对振动）的原则，不能再确保啮合在临界条件下运行。然而，如果激励频率（取决于齿轮的齿数）较低，这种情况基本上可以被抵抗。

为了解决这个问题，设计了一种采用只有13齿的主动小齿轮的啮合试验方案（低于临界转速）。除此之外，还有可能需要分析共振或超临界运行时的啮合振动特性。为此，超临界啮合的几何学采用了可能的最大齿数（受到规定的轴距和预先给定的刀具数据库中最小模数的限制），并有针对性地设计激励频率最大化。此外，还降低了传动比，以实现主动小齿轮与齿轮之间更小的质量比，从而降低啮合固有频率。



图3 分支变速器Ⅰ的啮合试验方案

3、试验装置和试验范围

为了面分析高转速变速器的性能，我们在变速器的入口和出口分别集成了用于测量扭矩和转速的测量轴。此外，我们还安装了喷射润滑装置，用于变速器的润滑。这样可以使用低粘度润滑剂，以灵活地满足变速器零件的需求。润滑油的体积流量将根据润滑啮合部位和滚动轴承的需要，通过流量调节阀进行分配。在将整个传动系统安装到FZG万能试验台之前，我们首先将两个分支变速器分别在慕尼黑（TGⅠ）和汉诺威（TGⅡ）进行了试验。

慕尼黑的试验目的是分析TGⅠ的振动和效率状况。为此，我们在变速器壳体中仅安装了用于相应啮合试验的TGⅠ齿轮系统，并装上了封闭的差速器（见图4和图5）。为评估振动情况，我们进行了固体传声和空气传声测量。固体传声测量需要在变速器壳体上安装多个加速度传感器。

汉诺威试验的重点是测试电动同步爪式离合器，并分析TGⅡ的润滑剂分布情况。为此，我们采用了由有机玻璃制成的TGⅡ壳体罩，这样我们可以使用高速摄像机拍摄变速器中喷射润滑和油池飞溅的机油分布情况。



图4 分支变速器Ⅰ的试验装置



图5 分支变速器Ⅰ的低损耗啮合试验

4、啮合试验振动特性

图6显示了在电机全负荷下转速首先加速到27000 r/min时，每种方案相对于转速平均的固体声阶次谱的对比。这些谱图是由相同的加速度传感器在啮合方向上测得的，试验计划一直进行到最高设计转速30000 r/min。从阶次谱中，可以根据主动小齿轮齿数和比其更高的阶次来识别轮齿啮合的频率。在低损耗方案的振动特性中，轮齿啮合频率的第1阶次占主导地位，这是因为啮合刚度较高，使动态轮齿受力较大。此外，在轮齿啮合频率周围还出现了侧频带，这是由较高的轮齿啮合频率和分度偏差引起的。

下临界方案在较高阶次的啮合频率时也显示出高的固体声电平，这表明减少的齿数已接近几何学极限，设计上可能受到无振动性能的限制。上临界方案具有与基准方案类似的低固体声电平水平。由于受到工作原理的限制，电机在高转速时扭矩大大降低，因此无激励的啮合几何学导致啮合共振减小得很少，并且导致相对较低的电平。非常感谢您对这个文本的修改，请注意意思没有发生变化。

因此，通常的设计目标是要避免啮合总体共振，这可能存在一定的局限性。这些试验结果证实了目前技术水平下设计的啮合特性对于降噪是有益的。在较高转速时使用的高档位，具有较多齿数且效率优化的几何设计在声学性能上也是有益的，因为它们具有较高的轮齿啮合频率，这些频率对于人耳来说很难察觉。下临界方案在声学性能方面是最差的，因为它具有多个轮齿啮合频率的谐波，这些谐波呈现高电平，在所有试验转速下的激励频率都比较低，并且位于可听到的频率范围内，因此对于避免啮合共振是不利的。



图6 全负荷下转速加速时测得的固体声平均阶次谱比较

5、结论和展望

通过Speed2E合作项目，已经验证了用于电动车的高速传动系统在原理上的可行性。在项目创建和试验的整个传动系统的最终阶段，根据设计的运行策略，功率分支的变速器结构展现出了在效率和NVH特性方面的潜力。接下来计划的Speed4E合作项目将与知名的工业合作伙伴一起，进一步开发和推进这一成果，以开发出高度集成的传动系统。