電氣化傳動系統(tǒng)越來越多地采用高速方案，因其具有最高的功率密度而能有助于減輕質(zhì)量。由于其輸入轉(zhuǎn)速高，特別是對于橋減速器在效率、承載能力和噪聲-振動-平順性（NVH）特性等方面提出了新的挑戰(zhàn)。在德國慕尼黑理工大學(xué)齒輪和傳動結(jié)構(gòu)研究所（FZG）的領(lǐng)導(dǎo)下，Speed2E合作項(xiàng)目在一臺高性能傳動系統(tǒng)樣機(jī)上對此進(jìn)行了研究，該項(xiàng)目的研究成果將有助于純電動車（BEV）達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。

德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部（BMWi）與傳動技術(shù)研究聯(lián)合會（FVA）共同推動的Speed2E合作項(xiàng)目，其目的在于開發(fā)和研究用于電氣化汽車運(yùn)行轉(zhuǎn)速最高達(dá)30000 r/min的高速傳動系統(tǒng)。除了該合作項(xiàng)目的主要單位德國慕尼黑理工大學(xué)齒輪和傳動結(jié)構(gòu)研究所（FZG）之外，漢諾威萊布尼茲大學(xué)機(jī)器結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)研究所和傳動系統(tǒng)與功率電子學(xué)研究所、達(dá)姆施塔特理工大學(xué)機(jī)器結(jié)構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)研究所、麥格納-格特拉克公司以及倫茨系統(tǒng)工程公司都是這個(gè)項(xiàng)目的合作伙伴。在Speed2E合作項(xiàng)目框架下，考察了一種以兩個(gè)電傳動單元和一個(gè)具有兩個(gè)平行分支傳動機(jī)構(gòu)的變速器為基礎(chǔ)的新型傳動系統(tǒng)方案，而其中一個(gè)平行分支傳動機(jī)構(gòu)是可以換檔的。樣機(jī)的布局被有意設(shè)計(jì)得具有很強(qiáng)的功能，以致于在最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的效率以及潤滑和振動特性方面存在進(jìn)行廣泛試驗(yàn)研究的可能性。在這個(gè)為期3年的合作項(xiàng)目的最后階段，在FZG萬能試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1動力傳動方案

這種動力傳動系統(tǒng)是在一種車速可達(dá)到160 km/h的C級前輪驅(qū)動樣車基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這種由兩個(gè)分支變速器組成的車橋變速器（圖1和圖2）由兩個(gè)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000 r/min的結(jié)構(gòu)相同的永磁同步電機(jī)驅(qū)動。分支變速器Ⅰ（TGⅠ）被設(shè)計(jì)成傳動比為21的兩級前輪驅(qū)動變速器，在電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最高車速160 km/h。除此之外，3級分支變速器Ⅱ（TGⅡ）具有兩個(gè)檔位，即初始傳動比為32和高效檔位傳動比為15。兩個(gè)分支變速器通過一個(gè)共用的差速器機(jī)械連結(jié)。由于其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的功能，因而能實(shí)現(xiàn)牽引力無中斷的換檔。除此之外，兩個(gè)分支變速器上靈活的功率分配提供了實(shí)施提高能量效率或降低運(yùn)行噪聲輻射的換檔策略的可能性。

（a）

（b）

圖1 動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（a）

及其齒輪系（b）

圖2 車橋變速器

2變速器結(jié)構(gòu)和嚙合設(shè)計(jì)

變速器鋁殼體由3部分組成，并且在與項(xiàng)目合作伙伴麥格納-格特拉克公司的共同工作中被設(shè)計(jì)成兩個(gè)分支變速器可以在試驗(yàn)臺上方便地進(jìn)行單獨(dú)裝配/解體，并已經(jīng)以一個(gè)有限元模型為基礎(chǔ)按照機(jī)器零件強(qiáng)度驗(yàn)證（FKM）規(guī)程進(jìn)行過靜態(tài)和動態(tài)承載能力的驗(yàn)證。將所承載的由嚙合所產(chǎn)生的軸承支承力作為承載能力驗(yàn)證的基礎(chǔ)。為了更精確地確定軸承支承力，在應(yīng)用FVA的RIKOR軟件進(jìn)行軸承支承力計(jì)算時(shí)，已考慮到了在反復(fù)過程中殼體剛度的降低，而且通過基于有限元的變形分析可加強(qiáng)殼體軸承座，使其確保承載軸發(fā)生最小的傾斜。

由于轉(zhuǎn)速條件限制,對變速器輸入級以及預(yù)應(yīng)力X布置的混合動力主軸承都提出了更高的要求。FZG為TG1輸入級設(shè)計(jì)并由麥格納-格特拉克公司制造了好幾種嚙合方案（圖3），以針對效率和振動特性研究各種不同嚙合幾何學(xué)對高輸入轉(zhuǎn)速的影響。所有方案具有相同的軸距，這樣就能方便地改裝成所要試驗(yàn)的嚙合方案。基準(zhǔn)方案是按照自動變速器用途的技術(shù)狀況設(shè)計(jì)的，并具有良好的承載能力和無激勵(lì)的幾何學(xué)性能。

為了提高效率，運(yùn)用了一種低損耗嚙合方案，它因具有非常小的齒形輪廓嚙合面而能將嚙合中的滑動成分減少到最少程度。由于運(yùn)行轉(zhuǎn)速趨向于越來越高，原則上就嚙合固有頻率（在該頻率下齒輪體會在切線方向上彼此相對振動）而言，已不再能確保嚙合的下臨界運(yùn)行。若激勵(lì)頻率（取決于嚙合齒數(shù)）較小的話，那么這種狀況基本上能被抵制。

為此，設(shè)計(jì)了一種采用齒數(shù)非常少的13齒主動小齒輪的嚙合試驗(yàn)（下臨界）方案。除此之外，還存在這樣的可能性，即可能要分析在共振或上臨界運(yùn)行時(shí)的嚙合振動特性。為此，上臨界嚙合的幾何學(xué)采用可能的最多齒數(shù)（受到規(guī)定的軸距和預(yù)先給定的刀具數(shù)據(jù)庫中的最小模數(shù)的限制）有針對性地將激勵(lì)頻率設(shè)計(jì)得最大，此外再降低傳動比，以便實(shí)現(xiàn)主動小齒輪與齒輪之間更小的質(zhì)量比，以降低嚙合固有頻率。

圖3 分支變速器Ⅰ的嚙合試驗(yàn)方案

3試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)范圍

為了全面分析高轉(zhuǎn)速變速器，分別在變速器入口和出口集成了用于測量扭矩和轉(zhuǎn)速的測量軸，除此之外還安裝了用于變速器潤滑的噴射潤滑裝置，以保證靈活地用低粘度潤滑劑供給變速器零部件，而機(jī)油體積流量則通過流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)潤滑嚙合部位和滾動軸承的需求進(jìn)行分配。在整個(gè)傳動系統(tǒng)安裝在FZG萬能試驗(yàn)臺上之前，首先將兩個(gè)分支變速器分別在慕尼黑（TGⅠ）和漢諾威（TGⅡ）進(jìn)行試驗(yàn)。

慕尼黑的試驗(yàn)內(nèi)容是分析TGⅠ的振動和效率狀況，為此在變速器殼體中僅安裝進(jìn)行相應(yīng)嚙合試驗(yàn)的TGⅠ嚙合齒輪系，并裝上封閉的差速器（圖4和圖5）。為了評價(jià)振動狀況，進(jìn)行了固體傳聲和空氣傳聲測量。固體傳聲測量要在變速器殼體上安裝許多加速度傳感器。漢諾威試驗(yàn)的重點(diǎn)是檢驗(yàn)電動同步爪式離合器和分析TGⅡ的潤滑劑分布狀況，為此采用由有機(jī)玻璃制成的TGⅡ殼體罩，以便能夠用高速攝像機(jī)拍攝變速器中噴射潤滑和油池飛濺的機(jī)油分布狀況。

圖4 分支變速器Ⅰ的試驗(yàn)裝置

圖5 分支變速器Ⅰ的低損耗嚙合試驗(yàn)

4嚙合試驗(yàn)振動特性

圖6示出了在電機(jī)全負(fù)荷下轉(zhuǎn)速首先加速到27000 r/min時(shí)每種方案相對于轉(zhuǎn)速平均的固體聲階次譜的對比，它們是對每一種嚙合試驗(yàn)由相同的加速度傳感器在嚙合方向上測得的。試驗(yàn)計(jì)劃直至試驗(yàn)到最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速30000 r/min。從階次譜中根據(jù)其主動小齒輪齒數(shù)和比其更高的階次就能辨認(rèn)出輪齒嚙合的頻率。低損耗方案的振動特性中輪齒嚙合頻率的第1階次高電平占優(yōu)勢，這是因嚙合剛度相對較高使動態(tài)輪齒受力較大所造成的。此外，在輪齒嚙合頻率周圍還出現(xiàn)了側(cè)頻帶，這是由高的輪齒嚙合頻率和分度偏差所致。

下臨界方案在較高階次的嚙合頻率時(shí)也顯示出高的固體聲電平,因此這說明由于減少的齒數(shù)已接近幾何學(xué)極限，設(shè)計(jì)上要達(dá)到無振動的性能可能受到限制。上臨界方案具有與基準(zhǔn)方案相類似的低固體聲電平水平。由于受工作原理的限制，電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩大大降低以及無激勵(lì)的嚙合幾何學(xué)的原因，嚙合共振降低得非常少，并導(dǎo)致相對小的電平超高。

因此，通常的設(shè)計(jì)目標(biāo)為了避免嚙合總體共振，可能存在局限性。這些試驗(yàn)證實(shí)了按照目前技術(shù)水平設(shè)計(jì)的嚙合特性有利于降低噪聲。在較高轉(zhuǎn)速時(shí)使用的檔位，齒數(shù)多的效率優(yōu)化的幾何設(shè)計(jì)在聲學(xué)性能上也是有利的，因?yàn)樗鼈兙哂械母咻嘄X嚙合頻率，靠人耳難以察覺。下臨界方案在聲學(xué)性能方面是最差的，因?yàn)檩嘄X嚙合頻率眾多的諧波呈現(xiàn)高電平，所有試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下的激勵(lì)頻率都較低，都處于可聽得到的頻率范圍，因此能證實(shí)這對于避免嚙合共振是不利的。

圖6 全負(fù)荷下轉(zhuǎn)速加速時(shí)測得的

固體聲平均階次譜比較

5結(jié)論和展望

通過Speed2E合作項(xiàng)目已證實(shí)了用于電動車的高速傳動系統(tǒng)在原理上的可行性。在項(xiàng)目創(chuàng)建和試驗(yàn)的整個(gè)傳動系統(tǒng)的最終階段，按照所設(shè)計(jì)的運(yùn)行策略功率分支的變速器結(jié)構(gòu)顯示出了在效率和NVH特性方面的潛力，然后在計(jì)劃的下一個(gè)Speed4E合作項(xiàng)目中就可以與著名的工業(yè)合作伙伴一起，進(jìn)一步將所獲得的成果，開發(fā)成高度集成的傳動系統(tǒng)。