一、概述
当前纯电动整车对于较长的续航里程、较高的性能追求,要求电驱动系统重量轻、效率高、体积小,基于此市面上出现了一些新的传动方案,以期将减速器做到更轻、更小,提高功率密度,满足整车性能要求,从而使得产品更具竞争力,如图1所示的结构即为其中的一种。

图1 一种纯电动减速器结构方案示意图
我们知道简单行星排(NGW行星排)是不能作为差速器使用的,因其结构特征,NGW行星排的特性参数不可能为1,所以图1方案不可能是先差速后减速,那图1所示的减速器方案如何工作的呢,下文将阐述其工作原理并通过设计一组齿轮参数来验证其功能的可行性。
二、工作原理分析
(一)、传统差速器原理
为便于分析,先对传统的开式差速器原理进行简单说明。图2为传统差速器示意图,开式差速器,或者说所有机械式差速器的本质都是将输入动力平均分配给左右半轴,同时允许左右半轴转速不同。
根据图2,用相对速度法使得行星架PC的转速为0,即PC固定,则整个差速器变为定轴式传动。

图2传统开式差速器示意图
图2中绿色箭头表示在定轴传动情况下半轴齿轮和行星齿轮的旋转方向,据此建立差速器行星排的杠杆图,如图3所示,两个半轴在行星架的两边(转速相反)

图3 传统差速器杠杆图
图3中,k为特性参数,根据杠杆平衡,分别对半轴a和b取矩,有如下方程

所以

若要满足动力均分原则,则上式(1)和(2)必然相等,即特性参数k=1,将k值代入式(1)、(2)得

公式(3)的意义是:输入轴PC上的扭矩平均分配给了左右半轴。该公式是所有机械式差速器必须满足的扭矩条件(所谓差速不差扭),或者反过来说,一切传动结构,若其作为差速器使用,则必须满足方程(3)。基于这个原则,我们来分析图1所示的结构,它满足怎样的条件,才能作为差速器使用,从而实现了既差速又减速的作用。
(二)、本文方案工作原理分析
上一节通过分析传统开式差速器的工作原理得出传动机构作为差速器使用的条件,它必须能够自发的将扭矩平均分配给左右半轴。图1是既差速又减速的传动方案,它有三个减速机构,即中间的NGW行星排,左右两侧的平行轴减速齿轮,经过合理的设计三个减速机构的速比,实现既差速又减速的功能。
1、充分条件
如图4,左侧平行轴齿轮速比设为i1,中间行星排特性参数设为k,右侧平行轴齿轮速比设为i2。

图4 传动系统示意图
设齿圈的齿数为ZR,太阳轮的齿数为ZS,根据图4,则
k=ZR/ZS
i1=Z3/Z1
i2=Z5/Z4
根据行星排原理,绘制其杠杆图,如下

图5 NGW行星排杠杆姿态
根据图5计算各元件扭矩

根据公式(3),只有当TPC=TR时方能作为差速器使用,而由公式(4)和(5)知,其不可能相等,因此需引入图4中左侧i1和右侧i2,相应的图5的杠杆图变化为:

图6 传动系统模拟杠杆示意图
综合图5和图6,有

根据公式(3),上述方程必然相等,即

所以

方程(8)是本文所述传动结构的充分条件,必须满足该式,否则将无法作为电驱传动系统使用。
此外图4中左侧平行轴减速齿轮中有个惰轮Z2,而右侧则不需要,这是因为NGW行星排是一个负号机构,太阳轮和齿圈的转速是相反的,因此必须对其中一个进行反向,否则左右两侧将时刻做大小相等方向相反的运动,这也是图6中杠杆可以折弯的原因!
2、速比计算
图1所示的传动结构,其传动比是多少?如何计算呢?在图4中,设左半轴车轮转速为nOur-L,齿圈转速为nR,行星架转速为nPC,右半轴车轮转速为nOut-R,则当车辆直行时,不考虑胎压、路面不平、摩擦等因素,理论上左右半轴的转速一定是相等的,即

而

所以

在图7所示杠杆图中,设AB=x,则,BC=1-x

图7 传动比计算杠杆示意图
根据图7,结合公式(9),则

所以

设行星排减速比为iPG,于是

将式(10)带入上式,得

设系统传动比为i,则

上式即为本文所述传动系统的传动比。
三、功能性模拟验证
为验证该传动系统的功能正确性,依据公式(8)进行配齿,根据公式(11)计算其速比,然后在仿真软件中进行模拟仿真。确定各部分速比参数如表1
表1 行星排及平行轴齿轮减速比

根据上表中的速比,匹配齿轮参数如表2
表2 齿轮参数

表1和表2中数据仅作为方案的功能性验证使用,不具有实际意义。据此在相关软件中进行模型搭建,如图8所示。

图8 传动系统仿真模型示意图
任意给出一个工况,例如,电机转速7200rpm,扭矩320Nm,根据公式(6)、(7),计算其传递到半轴的扭矩为

根据公式(11)计算轮边转速为

以上是根据本文推导公式计算得到的输出转速和扭矩,如果公式推导没有问题,那么理论上计算结果和软件仿真计算的结果应该是一样的,将电机转速和扭矩工况输入软件,得

图9 软件仿真计算轮边转速和扭矩
对比图9,本文推导公式计算结果和软件计算结果一致,至此验证了图1所示的传动结构其功能的正确性。
四、总结
汽车产业的发展,推动着电驱动产品往高速、高效、轻量化方向不断突破,由此也产生了一些新的传动方案,如本文所述传动机构,通过合理匹配行星排和平行轴速比,巧妙地将三者耦合,最终实现差速和减速一体,这样就规避了差速器结构,减轻了重量,降低了成本提升了产品竞争力。
注:文章中引用数据和图片来源网络