电驱桥设计概述v1

一、电驱桥的概述及定义

1、电驱桥的概述

随着各国对环保及节能减排的要求，国家对能源结构的战略调整，世界能源消费结构趋向清洁、低碳和多元化，推动了汽车行业电动化趋势。另外，越来越多国家从国家层面规划禁售燃油车，鼓励新能源汽车发展，加速了电驱桥等行业发展。

2、电驱桥的定义

电驱桥属于驱动桥的一种，只是动力装置由原内燃机驱动调整为电机驱动，同时大部分电驱桥将电机集成至车桥上以实现集成化、高效率等功能。

二、电驱桥的分类

1、电驱桥的分类
电驱桥根据结构不同，目前主要有商用车应用为主的整体式电驱桥和乘用车应用为主的集成式电驱动系统，以及轮毂电机分布式驱动系统（如图）。

整体式电驱桥

集成式电驱动系统

三、整体式电驱桥的设计

电驱桥项目开发过程一般按下图汽车零部件开发标准流程进行，以下以平行轴整体式电驱桥为例，主要说明电驱桥的详细设计过程及方法。

1、需求输入

在一个电驱桥项目开始之前，一般由市场调研或者客户直接给定需求，输入研发部门包含整车基本信息，产品性能、尺寸边界以及项目节点等内容。例如，下表为一款新能源厢式物流车基本信息。

2、策划阶段

研发部门收到设计输入后，将其转化为可以量化操作的数据，确定产品的基本性能要求并做可行性研究，随后提供初版方案以供开展评审。

项目组针对项目进行时间节点规划，以保障按时完成。

3、详细设计

方案评审通过后，将电驱桥总成拆解为三大部件系统：减速器总成、桥壳组件以及制动系统。根据总成性能要求，分解并制定各部件具体性能参数，展开详细结构设计。

以该新能源整车为例，以下初步讲解各个零部件系统的基本设计方法。

图1 典型平行轴整体式电驱桥结构

3.1、减速器总成

减速器总成作为电驱桥的核心部件，设计阶段应重点关注。纯电动车因为续航的短板，以及目前由于电机高速化的趋势导致的较高的输入转速，相较传统燃油车变（减）速箱，电动车对减速器提出高效率、高扭矩密度、高可靠性及高NVH性能，且结构简单等要求。

目前多数减速器产品采用单速设计，其一般采用两级圆柱斜齿轮减速，主要由两级齿轮副、轴承、差速器总成、减速器箱体及油封等结构组成。

图2 减速器总成

3.1.1、齿轮副设计

齿轮副的性能决定了减速器总成性能，其宏、微观参数对电驱桥的NVH、寿命等性能起关键性的作用，设计阶段应根据整车要求，仔细斟酌其参数设计。

目前电驱系统用齿轮副的设计基本原则有以下几点：

细高齿设计：

因重合度对齿轮的啮合噪音有关键性影响，目前汽车变速箱用圆柱斜齿轮几乎都采用细高齿齿形设计。

一般要求其一级齿轮副端面重合度为2或尽量接近，尤其避免其接近x.5（x为任意整数），轴向重合度也尽量靠近整数，总重合度至少为4；二级因转速较低，端面重合度可适当降低至1.8+，轴向重合度靠近整数。

因细高齿齿形变尖，齿轮设计过程中需注意齿顶宽，避免齿轮热处理过程中齿尖淬透。

齿轮副啮合主频及倍频避频要求：

齿轮副齿数设计时，需充分考虑电机避频需求。如8极对电机的主阶次及其倍频主要为8的倍数，齿轮齿数需避开16、24等齿数。
全扭矩范围下的低啮合误差：

计算齿轮副啮合误差需要考虑所有零部件的刚度影响，包含减速器箱体、齿轮轴、轴承的基本属性、游隙及配合关系等。一般要求齿轮副第一级PPTE≤0.4，第二级PPTE≤0.7。对于其各阶谐波，也需要逐级递减。

低滑动率要求：

由于电驱系统较高的输入转速，考虑齿轮齿面胶合强度，避免出现齿面烧结等故障，一般要求第一级齿轮副设计时齿面滑动率≤3，第二级因较低的转速可适当放宽要求。

小侧隙设计：

齿轮齿厚公差的设计需综合考虑箱体中心距的加工误差，在保证何种温度下都不能出现夹齿的情况下，减小齿轮副侧隙，防止传动系统静态启动或力矩方向切换瞬间出现的齿面敲击现象。

齿轮精度、倒棱等要求：

目前电驱减速器用齿轮副精度等级至少为GB 6级，齿面粗糙度≤Ra0.8，一般采用磨齿或珩齿工艺；滚刀设计时需考虑齿顶倒棱需求，考虑热处理变形及加工余量后，成品需控制在0.2-0.4mm。

因齿轮副计算公式繁杂且较多，齿轮副设计一般采用专业软件计算，按照整车基本信息输入参数，选定电机峰值功率Pmax=60kw，峰值扭矩Tmax=240N.m，输入转速n=2387转/min。

采用KISSsoft软件举例计算，按照以上齿轮副基本原则选取齿轮副参数，经校核其齿轮强度结果、重合度及啮合误差分析如图3、4所示。

图3 一级齿轮副强度校核

图4 一级齿轮副啮合误差

参照经验对齿形齿向修形后，代入常用工况载荷进行啮合分析，其齿面载荷分布如图5。

图5 一级主动齿轮齿面载荷分布

3.1.2、轴承设计

齿轮副参数确定后，可根据齿轮副受力状态进行轴承的选型，选型完成后，进行受力分解并计算该轴承当量载荷，校核其寿命。根据整车载荷谱确定轴承寿命要求后，其损伤率一般不能超过80%，球轴承滚道接触应力不应超过4000MPa，滚子轴承不应超过4200MPa。

满足寿命的情况下需提高减速器总成输入转速、降低系统摩擦转矩，一般优先考虑采用球轴承等低滚阻轴承。

3.1.3、减速器箱体设计

齿轮副及轴承确定后可以进行减速器箱体设计，箱体设计时需考虑对NVH及其动刚度的影响。箱体一阶自由模态建议在1500Hz以上，一阶约束模态在700Hz以上；各个位置（轴承孔、安装点等）动刚度必须大于20000N/mm，尽量减少薄壁大平面结构。后续能力许可情况下，针对振动辐射大的频率区域，进行谐响以及频响仿真及试验。

结构方面需考虑整车空间布置要求以及可装配性，提高装配效率、精度，同时轻量化也要重点关注。

3.1.4、油封

由于目前电机的高转速趋势，导致对减速器输入轴油封密封性能要求越来越高，低摩擦且必须耐高温。目前解决办法是提高油封唇口材料性能，常采用FPM（氟橡胶），甚至PTFE（聚四氟乙烯）等胶料。与油封配合的轴径在不影响强、刚度情况下尽量缩小，对配合的轴表面进行无轴向进给精磨或抛光，表面粗糙度至少≤Ra0.4等措施来提高油封寿命。

3.1.5、差速器总成

满足扭矩及装配要求的情况下，行星齿轮及半轴齿轮采用较小的止推间隙（0.05-0.15）mm，以减小传动系统间隙，避免齿面撞击等现象，提升NVH性能。

3.1.6、润滑要求
目前大部分电驱系统减速器采用飞溅润滑方式；主要采用低油量、低粘度润滑油；干式油底壳、强制润滑等设计，以降低搅油功率损失，提高电驱系统效率。

3.2 桥壳组件

桥壳组件主要起承载、转递力及力矩，为关重件，对安全系数要求较高。目前多数集成式电驱桥桥壳借用原燃油车车桥结构，应用成熟广泛。

桥壳及半轴计算校核方法一般参考刘惟信的《汽车车桥设计》。

3.2.1、桥壳设计

桥壳主要起承载及支撑作用，为空心梁结构。设计时需根据不同车型及路况，考虑冲击系数，计算校核其弯曲强度、刚度及疲劳并按照GB/T533、534进行台架试验并确保仿真与试验结果一致（如图6、7）。

图6 桥壳静弯曲应力的计算简图

图7 桥壳静载荷CAE分析

目前冲焊桥壳因其很高的材料利用率及轻量化应用广泛。

3.2.2、半轴设计

分全浮式半轴、半浮式半轴以及3/4式（应用较少），两种结构传递的力及力矩不同：全浮式半轴只需要校核其扭转强度及疲劳；半浮式需在其基础上增加弯矩校核。设计完成后按照GB/T 293、294进行台架试验。

3.2.3、轮边结构

分全浮式车桥和半浮式车桥：全浮式车桥需根据载荷谱及工况校核其轮毂轴承寿命，同时按照轮辋等安装尺寸要求设计车桥轮毂并进行CAE分析；半浮式需校核半轴轴承寿命。

3.3 制动系统

制动系统设计一般根据整车参数或主机厂要求，匹配制动器类型并计算其制动力矩，满足整车制动要求。

四、工程验证及试验

详细设计完成后进行第一轮样件试制并进行DV试验，验证设计方案可行性并根据试制过程及试验结果进行方案调整优化

五、生产验证及SOP

根据第一轮试验结果优化完成后进行第二轮小批量试制并进行PV试验，验证生产可行性并完成批量前生产准备。

注：文章中引用数据和图片来源网络

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