开发一种低噪声、低振动的 Orbitless 电动汽车主减系统
摘要：
众所周知，高速比高扭矩会对传动装置引发更大的噪声、振动和不平衡性，因此多级减速驱动的初级驱动通常是上述噪声、振动和不平衡性主要来源。虽然通常需要平行轴差速器来提供轴间隙，但可以使用同轴初级驱动来最大限度地降低噪声、振动和不平衡性，或支持更高的电机速度以提高效率。Orbitless 传动是一种新的本轮齿轮结构，理论上证明它比行星级或平行轴级齿轮结构具有更高的效率和更低的噪声、振动和不平衡性，因为它的内部速度更低，齿轮啮合更少。本工作描述了 Orbitless Drives Inc.、Romax Technology Ltd.和 Linamar Corp.之间的一项合作，以证明将 Orbitless 驱动作为电动汽车驱动系统中的主要减速级的实际好处。它包括以下内容：-Orbitless 传动的设计可以集成到 Romax Designer 软件中
-满足电动汽车主要减速驱动器指定的要求
-Romax Designer 用于设计和优化 Orbitless 和行星级的传动设计以满足规范要求
-模拟器的性能和原有相关传动的性能指标比较
-Orbitless 和行星传动原型构建电动汽车质量标准
-安装 Orbitless 的原型在测力计上并对其性能指标测试
-与模拟预测相比较的实际性能指标。
新颖性：
Romax Designer 此前仅支持行星和平行轴配置，增加对 Orbitless 的设计支持后，我们在此讨论一下相关的挑战。在过去，Orbitless 驱动器已经开发和评估，仅小批量为驱动系统提供应用，而且很少进行几何参数优化。Orbitless 的详细设计、优化和仿真将是同类工作中的第一个需求，电动汽车规模化开发应用也是如此。Orbitless 的理论特性有可能使其在汽车电动汽车市场上成为一种颠覆性的技术，只要不遇到实际障碍。物理样机的设计、优化、施工和评估同时证明了这一新技术的实用性和影响力。系统简介
Orbitless 传动是一款创新性的固定速比、行星轮系传动系统，结构中包含两个行星架且用第二个行星架代替齿圈的应用，也正是这样创新性的结构使得 Orbitless 传动比传统的行星轮系传动具有更高的传动效率，而且振动峰值也更小、在人耳可听到频率范围内的噪声辐射也更小，但获得这种性能会相对降低些许扭矩传递能力。工程师可在产生噪声最多的传动级（通常是齿轮箱的输入级）使用 Orbitless 传动，以进一步降低噪声辐射。了解 Orbitless 传动
Orbitless 传动是能够应用至各种场合的传动系统，具有传动效率高、NVH 噪声低、极高或极低地速比、高输入转速等优点，其典型应用场景很多，例如：运动控制系统、机器人传动、新能源汽车电驱传动、工业传动、电力设备传动和风力发电等。采用传统的齿轮技术，通过不同的集成方式创造噪声更低的传动系统，涉及诸多因素：轮齿修形、材料、润滑技术和声音阻尼技术等。Orbitless 传动之所以噪声较小主要由于下面几个设计因素：首先，在行星轮系中去除了齿圈零件，减少了 50%的轮齿啮合数量；其次，节圆线速度大约降低 50%，减小了相关噪声的幅值和频率；再次，Orbitless 不使用齿圈，不需要考虑装配过程中行星轮与齿圈的啮合相位问题，因此装配精度要求较低，使用成本更低的直齿轮就能获得类似于斜齿轮的 NVH 性能。Orbitless传动的尺寸大小与传统的行星轮系减速器相近，齿轮箱也能够形成不同大小尺寸的系列化产品，且使用与传统齿轮箱相似的标准零件。Orbitless传动不需要使用特殊的材料或加工工艺，主要是在零件动能布置上进行了创新，获得其最大的优势和价值，也是下图中各种新型传动平台的技术基础。
Orbitless 电驱传动项目是加拿大 NRC-IRAP 部分赞助的项目，此项目中 Romax Technology将其传动仿真算法进一步拓展，能够支持 Orbitless 传动几何参数的计算和研发，因此能够在其标准的 Romax Nexus 软件平台中开发新型的机械可靠、低 NVH、高传动效率的电驱传动系统，并且与利纳马配合，满足与更高转速电机匹配的要求。在此项目中，我们主要聚焦于开发和生产高性能、低噪声、高效率的传动系统。
图 2 –项目伙伴
当前的汽车市场日新月异，整个业界都面临从内燃机技术向混动和电动化技术转变的挑战与要求。在未来的十年，电动化的进程将大大转变整车的基本布局和结构。然而，业界当前把大部分精力放在电池技术和电机技术创新，很少真正提及或研发出新的齿轮传动技术，大家都觉得电动化后齿轮箱变得不重要，其实这是错误的，因为齿轮箱直接与 NVH 性能相关。主机厂要花费几百万美元来降低齿轮噪声，才能满足电动化安静行车的要求。Orbitless 传动正是映衬着这些背景下的齿轮传动发明，具有较好的 NVH 性能和较高的传动效率。但与其他新发明的科技一样，在进入传统的、保守的汽车市场之前，它需要证明自身的性能和可靠性。近年来，随着 CAE 仿真的不断进步已经改变了必须靠试验的现象，越来越多的项目都采用先进的虚拟样机、虚拟仿真手段来减少设计开发时间。Orbitless 传动的时机也恰到好处，我们刚刚能够获得适合的仿真工具，快速、准确地评估新概念和新技术，最终能够快速将此技术推向应用。对于汽车动力总成行业，这意味着需要满足世界上最严格的运行参数和法规参数。低 NVH、高传动效率、低成本、足够的可靠性是一款高质量动力总成必不可少的素质。Romax Technology 已经在汽车传动领域建立了良好的声誉，擅长虚拟样机、分析仿真、电动化传动系统开发等领域。本项中的挑战在于，Orbitless 传动的结构和参数是否可在 Romax 仿真平台中进行建模，完成分析和技术，并给出准确、可信的分析结果。目标和分工
此项目有效地证明，从系统级角度对电驱传动系统进行建模与分析更加能够降低开发风险、加速产品应用周期。项目合作伙伴也是经过仔细挑选，皆是有所长：Orbitless 传动公司，是项目经理公司，领导整个项目，提供传动系统的知识产权、原始理论计算和设计辅助；利纳马公司，负责齿轮箱的制造；Romax Technology，负责软件平台仿真、机电系统工程设计等；NRC-IRAP 为项目提供启动资金支持，使得项目能够顺利进行。本项目对一级电驱传动链创建了完整的系统级设计和分析，适用于 16000rpm 转的高速电机，项目中对 Orbitless 传动的 NVH 性能进行了分析，从而获得其优势性能。项目中决定采用试验台与驱动电机对比的方法来进行，可更加清晰地分析出 Orbitless 传动独立的性能和优势。项目中还需要设计一个传统的行星轮传动系统，以对比 Orbitless 传动和传统行星传动的优劣势等。
图 3: 概念设计 - 1 级 Orbitless 传动结构设计和分析流程
整个项目团队系统地评估和对比不同的设计，以分析轴承性能、齿轮错位量来获得最小的传动误差和最高的传动效率。在开发过程中，团队做了一些设计决策，以优化 NVH 性能为主要方向，不是支持更大的扭矩能力。在此我们也要特别提出，在封装尺寸范围内增加二级高扭矩传动也是可行的，但不是本项目的核心目标。在项目的初期，Romax 主要聚焦在 4 个主要方面。第一，处理偏置行星架的平衡问题，这也是 Orbitless 设计的核心方面；第二，轴承选型和轴承尺寸，尽量使用标准轴承型号也是项目的目标；第三，行星架尺寸和材料选择，以降低错位量影响；第四，聚焦于齿轮的几何参数设计与优化，以最好地使用 Orbitless 的优势 – 互质齿数和顺序啮合，使用三个完全相同的行星轮，让装配更加便捷。
虚拟结果
最初的结果满足之前的预期，传动效率大于 98%、传动误差较小、能够使用标准轴承、满足接口和封装尺寸。整个系统的润滑设计也满足要求，最终的结果将在我们完成物理样机装配和测试之后得以验证。
效率
在 Orbitless 传动与行星轮系设计的对比中，已经发现 Orbitless 的齿轮啮合功率损失比行星轮系低 40%，轴承的数量相对于传动行星轮系要多一些，轴承的功率损失会大一些。与高速电机配合使用时，Orbitless 传动的线速度更低，轴承的平均性能也更好，因此总体效率和寿命性能都更好。在当前的模型中的啮合损失未能考虑润滑油性能的直接影响，在此方面，我们认为 Orbitless也具有更好的效率性能。
传动误差
基本的行星架和齿轮设计完成后，我们在 Romax 软件中设计并优化齿轮的微观修形（既可手动、也可自动修形）来降低传动误差，这些结果让我们可以在 50-150Nm 载荷循环范围内选择最佳的运行区域。
图 5 – 传动误差 VS 扭矩
轴承
轴承是系统安全可靠运行的关键零件，而且 Romax 在过去 25 年里，积累了全球领先的轴承设计与分析能力。在本项目中，Romax 发挥其轴承能力优势，能够定量评估诸多复杂运行条件下的效果、轴承的可靠性和可行性等。例如，偏置行星架错位量对轴承损伤度的影响等。依据分析结果，项目团队进行系统工程决策并执行，之后还对系统建立了创新性的动力学模型，分析偏置行星架运动对模态振型、共振带的影响。未来，在此领域还会进行更多工作，进一步优化轴承选型和轴承性能等。
在整个设计中，我们认为 Orbitless 传动会比行星传动更具优势但未能充分证明的是润滑方面。理论上，Orbitless 传动应该具有更好的润滑属性，因为其采用较浅的浸油润滑，而行星轮系采用更加深的浸油润滑或强制润滑。项目的下一阶段将进一步优化设计，制造 Orbitless 传动的样机，进行测试并与仿真结果进行对比。我们预计将会测试出预期的结果，而且也能给出更加准确的润滑性能与优势。
图 7 – 第二版概念设计，带有润滑通道
总体说来，项目成功地提升了 Orbitless 传动的技术完整性和准备，为电动汽车提供系统级传动应用，从设计、分析到提升可靠性、降低风险方面做了充分工作，为电动化趋势做好准备。从方法 论概念结构选择至详细设计，本项目展示出 Orbitless 传动用于电动汽车的可行性和实践性，能够开发出满足行业标准的产品。初步的设计迭代显示出潜在的优势。下一阶段，我们计划进一步分析产品的优点和缺点，并进行相应的优化。这将让汽车行业在电动化转变的过程中，有另一种传动系统可选，作为主电驱传动系统。
