CN109236953A - 分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器 - Google Patents

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段佳惠
冯金芝
高大威
赵礼辉
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Abstract

本发明公开了一种分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，本减速器的左壳体和右壳体对接并且通过箱体螺栓连接，输入轴、中间轴和输出轴分别通过滚动轴承间隔设于左壳体和右壳体内并且输入轴伸出左壳体、输出轴伸出右壳体，第一级主动齿轮和第一级从动齿轮分别设于输入轴和中间轴并且相互啮合，第二级主动齿轮和第二级从动齿轮分别设于中间轴和输出轴并且相互啮合。本减速器以低模数实现齿轮传递大扭矩、以小直径实现齿轮轴具有满足齿轮寿命要求下的合理扭转刚度和弯曲刚度，其结构紧凑，缩小了轮边减速器的整体尺寸且具有高耐久性。

Description

分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器
技术领域
本发明涉及一种分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器。
背景技术
汽车轻量化是降低能源消耗、减少污染物和碳排放的重要措施，相比于传统汽车，电动汽车对于轻量化的要求更为迫切。目前，电动汽车装配的电机、电池、电控等三电***的重量大于同功率等级的发动机重量，通常三电***占整车总质量的30%～40%。这意味着电动汽车必须在电气化的同时进行减重以获得更长的行驶里程，在减重环节中很重要的一项就是对减速器的轻量化。
传统的减速器虽然也有采用拓扑优化，但缺少有效的适于轻量化的应力控制准则。其为了保证机构的强度，因此在壳体多处采用冗余加强筋的结构，导致加强筋密布，强度过度富余，最终会使得减速器的整体重量过重。对于轮边减速器关键传力零件，如齿轮、轴与轴承在工作过程中都具有低载强化效应，使其强度合理匹配，充分发挥各零件的强度潜能，可有效减小轮边减速器的重量和体积，目前这类产品尚未面市。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，本减速器以低模数实现齿轮传递大扭矩、以小直径实现齿轮轴具有满足齿轮寿命要求下的合理扭转刚度和弯曲刚度，其结构紧凑，缩小了轮边减速器的整体尺寸且具有高耐久性。
为解决上述技术问题，本发明分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器包括左壳体、右壳体、输入轴、中间轴、输出轴、第一级主动齿轮、第一级从动齿轮、第二级主动齿轮和第二级从动齿轮，所述左壳体和右壳体对接并且通过箱体螺栓连接，所述输入轴、中间轴和输出轴分别通过滚动轴承间隔设于所述左壳体和右壳体内并且输入轴伸出左壳体、输出轴伸出右壳体，所述第一级主动齿轮和第一级从动齿轮分别设于所述输入轴和中间轴并且相互啮合，所述第二级主动齿轮和第二级从动齿轮分别设于所述中间轴和输出轴并且相互啮合。
进一步，本减速器还包括输入轴端盖和输出轴端盖，所述输入轴端盖和输出轴端盖分别套入所述输入轴和输出轴并且采用螺栓分别连接所述左壳体和右壳体。
进一步，所述第一级主动齿轮的最大弯曲应力为509.0MPa，所述第一级从动齿轮的最大弯曲应力为528.7MPa，所述第二级主动齿轮的最大弯曲应力为521.2MPa，所述第二级从动齿轮的最大弯曲应力为543.3MPa，所述第一级主动齿轮与第一级从动齿轮的最大接触应力为1067.4MPa，所述第二级主动齿轮与第二级从动齿轮的最大接触应力为1068.4MPa。
进一步，所述输入轴、中间轴和输出轴的轴系零件的最佳工作应力范围为169～227MPa、轴的最佳强化载荷为195MPa，所述第一级主动齿轮、第一级从动齿轮、第二级主动齿轮和第二级从动齿轮的最佳强化载荷为253.5MPa。
进一步，所述输入轴与中间轴间距为90mm，所述中间轴与输出轴间距为102mm，所述输入轴和中间轴的轴承档直径为20mm，所述输出轴的轴承档直径为30mm。
进一步，所述左壳体、右壳体在本减速器三倍额定功率输入下，以壳体表面法向挠度不大于0.01mm为判据建立壳体的刚度设计准则，以壳体试验寿命100万次对应的应力为优化约束条件进行拓扑优化设计。
由于本发明分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器采用了上述技术方案，即本减速器的左壳体和右壳体对接并且通过箱体螺栓连接，输入轴、中间轴和输出轴分别通过滚动轴承间隔设于左壳体和右壳体内并且输入轴伸出左壳体、输出轴伸出右壳体，第一级主动齿轮和第一级从动齿轮分别设于输入轴和中间轴并且相互啮合，第二级主动齿轮和第二级从动齿轮分别设于中间轴和输出轴并且相互啮合。本减速器以低模数实现齿轮传递大扭矩、以小直径实现齿轮轴具有满足齿轮寿命要求下的合理扭转刚度和弯曲刚度，其结构紧凑，缩小了轮边减速器的整体尺寸且具有高耐久性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器结构示意图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器包括左壳体1、右壳体2、输入轴3、中间轴4、输出轴5、第一级主动齿轮6、第一级从动齿轮7、第二级主动齿轮8和第二级从动齿轮9，所述左壳体1和右壳体2对接并且通过箱体螺栓11连接，所述输入轴3、中间轴4和输出轴5分别通过滚动轴承31、41、51间隔设于所述左壳体1和右壳体2内并且输入轴3伸出左壳体1、输出轴5伸出右壳体2，所述第一级主动齿轮6和第一级从动齿轮7分别设于所述输入轴3和中间轴4并且相互啮合，所述第二级主动齿轮8和第二级从动齿轮9分别设于所述中间轴4和输出轴5并且相互啮合。
优选的，本减速器还包括输入轴端盖32和输出轴端盖52，所述输入轴端盖32和输出轴端盖52分别套入所述输入轴3和输出轴5并且采用螺栓分别连接所述左壳体1和右壳体2。
优选的，所述第一级主动齿轮6的最大弯曲应力为509.0MPa，所述第一级从动齿轮7的最大弯曲应力为528.7MPa，所述第二级主动齿轮8的最大弯曲应力为521.2MPa，所述第二级从动齿轮9的最大弯曲应力为543.3MPa，所述第一级主动齿轮6与第一级从动齿轮7的最大接触应力为1067.4MPa，所述第二级主动齿轮8与第二级从动齿轮9的最大接触应力为1068.4MPa。本减速器以车辆标准循环工况下齿轮组工作载荷谱为依据，结合材料的疲劳强度等特性，以齿轮组满足车辆耐久性行驶里程24万公里为目标，对各齿轮应力参数进行合理匹配与优化。
优选的，以齿轮计算寿命降低1%为判据建立轴系零件的径向刚度设计准则，缩小齿轮轴直径的同时，使齿轮和齿轮轴具有合理扭转刚度和弯曲刚度，所述输入轴3、中间轴4和输出轴5的轴系零件的最佳工作应力范围为169～227MPa、轴的最佳强化载荷为195MPa，所述第一级主动齿轮6、第一级从动齿轮7、第二级主动齿轮8和第二级从动齿轮9的最佳强化载荷为253.5MPa。
优选的，所述输入轴3与中间轴4间距为90mm，所述中间轴4与输出轴5间距为102mm，所述输入轴3和中间轴4的轴承档直径为20mm，所述输出轴5的轴承档直径为30mm。合理设计满足刚度要求的轴系零件当量直径，并且根据轴系大小选用标准轴承，再根据轴承选用结果修改轴承安装位置处轴直径的大小，结合当量直径要求，以及轴安装要求，从而设计合适的轴系零件各个轴段尺寸。
优选的，所述左壳体1、右壳体2在本减速器三倍额定功率输入下，以壳体表面法向挠度不大于0.01mm为判据建立壳体的刚度设计准则，以壳体试验寿命100万次对应的应力为优化约束条件进行拓扑优化设计。根据拓扑优化计算结果，对初选壳体结构进行优化，考虑壳体挠度要求及试验应力的约束，并且综合考虑加工工艺等问题，最终优化方案是在壳体整体形状不变的前提下，将壳体厚度由原来的7 mm优化为5 mm。并使本减速器能够满足额定输入功率15kW、耐久性里程24万公里的要求。
根据传统机械设计方法，齿轮一般依据弯曲疲劳强度和接触疲劳强度进行设计、计算与校核，齿轮传动的设计准则是根据齿轮可能出现的失效形式来规定的，由于齿轮材质属于硬齿面，一般按弯曲疲劳强度来设计，用接触疲劳强度来校核。因此，设定各齿轮的最大弯曲应力以及各齿轮间的最大接触应力，这样的设计有助于在使用过程中齿轮的疲劳强度能得到一定程度的提升，获得更好的耐久性。
本减速器中，左壳体所受应力比右壳体要小，为了保证应力分布较为均匀，在左右壳体加强筋整***置不变的前提下，可增加右壳体主要加强筋厚度以及壳体台阶位置厚度，并增大倒角直径，从而保证整个壳体的刚度。
本减速器中各齿轮根据斜齿轮设计式和电机输出峰值载荷、转速范围区间和减速***传动比等数据进行设计计算，由齿面接触强度校核来检验，得到各齿轮的详细几何参数如下表：
采用上表所列齿轮，在正常使用载荷环境下，能够满足齿轮的弯曲安全系数和接触安全系数分别在1.48、1.51以上。
本减速器能满足额定输入功率15kW、耐久性里程24万公里的要求，以低模数实现齿轮传递大扭矩、以小直径实现齿轮轴具有满足齿轮寿命要求下的合理扭转刚度和弯曲刚度，具有更合理的壳体壁厚。由于实现了紧凑设计，其整体外形尺寸的长、宽、高分别不超过374mm、240mm和181mm，减小了减速器的尺寸，减轻了减速器的重量，使减速器的总重量低至8.75kg，同时降低了生产成本。由于降低了减速器的尺寸和重量，增加了电动汽车的续航里程，有利于该轮边减速器在小型车领域的推广应用。

Claims (6)

1.一种分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：本减速器包括左壳体、右壳体、输入轴、中间轴、输出轴、第一级主动齿轮、第一级从动齿轮、第二级主动齿轮和第二级从动齿轮，所述左壳体和右壳体对接并且通过箱体螺栓连接，所述输入轴、中间轴和输出轴分别通过滚动轴承间隔设于所述左壳体和右壳体内并且输入轴伸出左壳体、输出轴伸出右壳体，所述第一级主动齿轮和第一级从动齿轮分别设于所述输入轴和中间轴并且相互啮合，所述第二级主动齿轮和第二级从动齿轮分别设于所述中间轴和输出轴并且相互啮合。
2.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：本减速器还包括输入轴端盖和输出轴端盖，所述输入轴端盖和输出轴端盖分别套入所述输入轴和输出轴并且采用螺栓分别连接所述左壳体和右壳体。
3.根据权利要求1或2所述的分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：所述第一级主动齿轮的最大弯曲应力为509.0MPa，所述第一级从动齿轮的最大弯曲应力为528.7MPa，所述第二级主动齿轮的最大弯曲应力为521.2MPa，所述第二级从动齿轮的最大弯曲应力为543.3MPa，所述第一级主动齿轮与第一级从动齿轮的最大接触应力为1067.4MPa，所述第二级主动齿轮与第二级从动齿轮的最大接触应力为1068.4MPa。
4.根据权利要求3所述的分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：所述输入轴、中间轴和输出轴的轴系零件的最佳工作应力范围为169～227MPa、轴的最佳强化载荷为195MPa，所述第一级主动齿轮、第一级从动齿轮、第二级主动齿轮和第二级从动齿轮的最佳强化载荷为253.5MPa。
5.根据权利要求3所述的分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：所述输入轴与中间轴间距为90mm，所述中间轴与输出轴间距为102mm，所述输入轴和中间轴的轴承档直径为20mm，所述输出轴的轴承档直径为30mm。
6.根据权利要求4或5所述的分布式驱动电动汽车高耐久轻量化轮边减速器，其特征在于：所述左壳体、右壳体在本减速器三倍额定功率输入下，以壳体表面法向挠度不大于0.01mm为判据建立壳体的刚度设计准则，以壳体试验寿命100万次对应的应力为优化约束条件进行拓扑优化设计。
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