电动汽车减速器正向设计概述
随着汽车工业的飞速发展,环境污染也日益严重,降低汽车有害气体污染物排放量，全球各个国家对于二氧化碳的排放量限值日渐收紧（如图1所示，来源于ICCT），开发新能源汽车是未来的主要发展方向。而电动车减速器的发展也直接推动电动车辆的发展,电动车减速器在影响电动车发展的关键点-续航里程和车辆性能上,能够起到关键的辅助作用。因此,对新能源汽车减速器的设计开发进行研究具有重大的现实意义。
本文在国家大力推动电动汽车的大背景下,简单探讨如何开发一款满足整车动力性、经济性、可靠性、安全性等及批量生产要求的减速器以及作为一名减速器工程师，我们都需要做哪些工作。本文主要是关于电动汽车减速器的设计概述，适合新入职的工程师入门使用。
图1. Global CO2 Regulatory Landscape
一、电动汽车减速器的发展现状
电动汽车的动力传动系统性能决定着电动汽车运行性能的好坏，是电动汽车的核心部分，减速器用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器结构紧凑，效率较高，传递运动准确可靠，使用维护方便，可以成批生产，因此应用非常广泛。
1. 减速器的工作原理
减速器一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机、内燃机或者其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果。
减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩，跟常规燃油版车型上的变速器一样达到减速增扭的目的。
速比=电机输入转速÷减速机输出转速(“速比”也称”传动比”)
知道电机功率和速比及使用系数，求减速机扭矩如下公式：减速机扭矩=9550×电机功率÷电机功率输入转速×速比×使用系数。
知道扭矩和减速机输出转速及使用系数，求减速机所需配电机功率如下公式：电机功率=扭矩÷9550×电机功率输入转速÷速比÷使用系数。
它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途。减速器的种类繁多，乘用车目前多使用齿轮减速机；按照传动级数不同可分为单级和多级减速机。
图2. 某减速器图示
2. 为什么需要减速器？
电机工作区（T-N曲线）是评价汽车电机性能一个重要的指标（图3. 某电机T-N曲线），高转速、大转矩以及宽广的恒功率调速范围是是目前电机设计者所共同追求的。跟燃油版汽车同理，匹配减速器可以使电机工作在更高效的转速区间， 可以使系统拥有更宽的转速区间和更大的扭矩(图4.发动机与电机的特性曲线对比)。
n=60f/p
T=9550P/n
E=4.44fKΦ
图3. 某电机T-N曲线
如果电动汽车没有减速器的话，输出到轮的扭矩太小，尤其是爬坡等需要大扭矩的情况就很难满足了。而日常使用，绝大部分时间都是在平路上行驶，如果选大扭矩的电机，价格会极高，整车性价比就下去了。
车轮转速常用区间是0rpm（起步）到1000rpm（车速 100km/h左右），特别是城市里常有的50km/h的车速，（对应轮速500rpm）现在大部分民用电机，在这个转速区间并没有很高的效率，选择可以使用更高功率电机，通常意味着几倍的成本增加。齿轮箱主要作用是减速和增加扭矩，便是一个低成本的解决方案。
图4. 某电机与发动机的特性曲线对比
3. 减速器的技术路线有哪些？
目前市场上用一挡和二挡减速器的OEM比较多，但是二挡减速器的优势明显，开发难度较一挡存在较大的难度，变速器的很多资源可以拿来使用，同时也是电动车开发的趋势所在，下边介绍目前主流的几个路线方向：
1）同步器换挡（AMT)
同步器换挡的两挡变速器由输入轴，中间轴、差速器、一 挡齿轮组、二挡齿轮组和同步器组成。其中输入轴与电机连接， 轴上布置一挡和二挡的主动齿轮；中间轴布置一挡和二挡的从动齿轮以及主减主动齿轮；差速器实现左右车轮的差速行驶；同步器布置于中间轴两齿轮之间，有的结构也将同步器布置在输入轴上。同步器的换挡可通过电机控制或液压控制等，结构示意图如图5所示。
图5. 某AMT结构示意图
2）双离合器结构
双离合器换挡的两档变速器主要零部件为一个双离合器机构。发动机与双离合器的外毂连接，一档主动齿轮和外输入轴 连接，二档齿轮和内输入轴连接。一二档从动齿轮均固定在中间轴上，中间轴上又连接差速器。
双离合器既可使用干式离合器，也可使用湿式离合器。这种两档变速器在内外输入轴上分别只有一个档位，所以没有同步器，结构相对简单，重量较轻,具体可见图5所示。
图5. 某DCT结构示意图
3） 行星齿轮换挡
以单排单级行星齿轮机构为例，其结构主要包括太阳轮、行星架、齿圈、离合器和制动器。其中，电机输入轴与行星齿轮机构的太阳轮连接，行星架 同输出轴连接。离合器的内毂位于输入轴，外毂与行星架连接；制动器一端连接箱体，一端连接齿圈，用于制动齿圈。
当离合器打开，制动器关闭时，电机的动力传递到太阳轮， 太阳轮带动行星齿轮的转动，但由于齿圈已被制动器固定，所以行星架被带动旋转，将动力传递到输出轴，此时变速器处于 一档。由行星齿轮机构的特性可知，此时为定传动比，减速增扭。
当离合器关闭，制动器打开时，离合器将行星齿轮机构的太阳轮和行星架连接为一个整体，行星轮系整体转动带动输出轴，此时变速器处于2档。传动比为1，也即2档为直接档。
当离合器打开，制动器关闭时，电机反向旋转，可实现整车倒车行驶。
舍弗勒的两档变速器（图6所示）目前已经量产，搭载长城P8和长安CS75， 作为后桥使用。两档变速器使用两个行星排结构，换挡通过自主设计的爪式同步器实现。
图6. 舍弗勒两档减速器Cross section
表1. 舍弗勒两档减速器基本参数
4） 单离合器结构
单离合器换挡的两档变速器具有两个分开的离合器，分别控制两个档位的动力输入，这种两档变速器由输入轴、中间轴、差速器、一档齿轮组、 二档齿轮组和离合器组成，多用于大型电动车上。
综上，几种二挡减速器优缺点以及成本对比如下表2所示：
表2. 几种二挡减速器对比
二、减速器的设计输入/输出和主要工作内容
减速器在设计开发过程中与MT大同小异，整个设计开发要求以及相关的试验规范也有很多可以参考，载荷谱需要重新开发，具体细节请见下图：
图6. 减速器开发过程要求
设计输入
驱动电机额定功率/kW；
驱动电机峰值功率/kW；
驱动电机额定扭矩/Nm；
驱动电机峰值扭矩/Nm；
驱动电机最高转速/rpm；
整车整备质量/kg；
最高车速要求km/h;
设计输出
减速器设计方案；
减速器挡位数；
齿轮轴系布置方案；
P挡设计方案；
换挡系统设计方案；
齿轮轴系设计计算及强度校核报告；
壳体结构设计及强度校核报告；
绘制总成图纸以及各零部件的图纸；
差速器半轴齿轮花键参数输出用于半轴花键设计；
技术参数模板展示Technical product data
主要工作内容
边界分析和整车布置分析，确保周边预留足够的设计间隙；
齿轮箱内部布置设计；
齿轮轴/壳体/轴承/油封等零部件设计；
CAE分析：齿轮/轴承强度寿命分析，壳体结构分析，油量/润滑分析，传递误差分析，接触斑分析，连接强度分析，模态分析等；
减速器开发程序：具体开发程序如下图7所示，减速器开发过程中需要综合考虑开发难度，以及系统匹配开发的难度要求，同时需要做好技术资料的积累，为新项目提供技术基础；
图7. 减速器开发程序
三、减速器的DV试验验证
减速器的DV和PV试验项目主要分功能性试验和耐久性试验，具体试验项目如下所示，这里仅说明试验项目，具体试验规范各OEM可能存在部分差异：
功能试验主要包含：温升试验，通气试验，效率试验，润滑试验，密封试验，静强度试验，台架NVH测试…
耐久试验包含：高速耐久试验，总成耐久试验，差速器耐久试验，差速器打滑试验；
如有驻车，一般还需要增加：驻车耐久试验，drop in speed试验，整车驻车试验；如是多档，还需要增加换档试验。
四、结束语
减速器是新能源汽车的核心部件，在做方案选择时除考虑整车性能以外，还需要综合考虑系统成本、电机以及变速器尺寸、变速器资源以及变速器开发难度等因素。目前的发展趋势是电机、减速器和电机控制器三合一，所以开发过程中还需要考虑后续的发展规划。
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