新能源车电动桥减速器整体式壳体设计与NVH性能优化

整体式电驱桥主要由减速器总成、桥壳、半轴三部分组成，其中减速器总成起着减速增扭的作用，是电驱桥的关键组件。整体式减壳可以一次装夹完成所有轴承安装孔加工，每轴的左右孔位的同轴度好，各轴孔的位置精度也好。而分体式结构将壳体分为左右两部分，左右两个壳各自完成加工，依靠定位销保证左右壳合盖以后的位置精度，同一轴上左右两孔的位置度、同轴度相较于整体结构来说精度变差，左右两壳通过螺栓连接，整体刚度会变差，在工作时齿轮和轴承的系统变形也会变大，不利于噪声、振动和声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）优化，左右壳体之间的连接面积较大，装配完成后的漏油风险高，唯一的好处就是安装方便。因此，从各轴承孔的精度和整体刚度来讲，整体式壳体优于分体壳，所以在大扭矩的商用电动桥上，该结构还是比较普遍。如果能解决整体式壳的中间轴能实现整体式装配问题，则将使整体式壳的减速器带来更优秀的整合性能。

现如今整体式减速器壳体特别是中间轴，由于一级从动齿轮的尺寸较大，需要将一级从动齿轮从朝向差速器的一侧先放入壳体内部，再将二级主动齿轮从减壳侧面沿其轴向通过轴承孔压装进去，一般一级从动齿轮和二级主动齿轮采用齿侧过盈的花键配合，需要较大的压入力，压装时需要在减速壳内部垫放工装，工装一般垫放在铸造面上，无法准确放平，如要放平需要在壳体上加工定位面，成本将提高；否则，在压装的过程中容易产生倾斜，压装后一级从动齿轮和二级主动齿轮的垂直度和同轴度很难控制，影响减速器总成的NVH性能。此外，该中间轴轴系不能整体取出，返修时需要将中间轴轴系的各零件一一取出，给返修也带来很大困难，且需要在二级主齿上设计返修的工艺螺纹，制造的成本也较高。因此，如何在保证中间齿轮轴安装后的同轴度前提下，简化装拆操作和保证减速器总成的NVH性能，是本领域技术人员需要解决的技术问题。即便整体式减壳的轴承孔精度和刚度要优于分体式，但其装配难度大使得很多减速器厂家选择牺牲减速器壳的刚性和精度，将减速器壳改为分体式结构。

本文提出了一种减速器总成及减速器壳体组件，既保证减速器壳为整体壳，又能保证中间齿轮轴组件可整体装配的新结构，有效解决了上述问题。 

图1为目前市场上常见的减速器总成结构类型，均为三轴两级减速结构，图1(a)为整体式结构，图1(b)、图1(c)分别为分体式结构（包括中间分体式和侧面分体式）。整体式减速器壳体在装配齿轮时，每个轴系（输入轴、中间轴和输出轴）都只能单独的进行压装，如图2所示。

图1 不同分体式壳体的减速器总成

图2 现有整体式减速器壳体中间轴装配过程图

图3 新型减速器结构图

如图3所示，提出一种新型减速器壳体组件。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为新结构减速器壳体截面图、完成中间轴装配截面图和总成结构爆炸图。在该结构中，中间轴同样采用轴承盖对轴承 进行径向固定。减速壳中部分别设有用于安装中间轴轴承的安装孔，两个安装孔同轴，并且两个安装部之间形成用于安装中间轴轴系的安装空间，至少一个安装部朝向差速器的一侧，设有与所述安装空间连通的安装开口。安装开口的宽度不小于所述中间轴的直径，且中间轴能够由安装开口进入安装空间内，中间轴承的轴向游隙通过垫片调整，开口用于装配差速器总成，刚度是一体壳体的保证，图3(d)为中间轴装配过程图，整个二轴齿轮及轴承和垫片能在上述开口空间装入和取出，装配十分便捷。

具体装配过程如下：在安装中间齿轮组之前，先将中间轴承盖打开，然后将压好轴承的中间轴齿轮及轴承及垫片总成整体放入半圆轴承孔内。壳体中与中间轴轴承外圈及垫片相接触的区域设计为整体式圆台结构，该结构可有效承受轴向载荷，并限定轴系的轴向位置。轴承盖只与轴承外径接触，只限制轴承的径向尺寸，打紧轴承两侧的螺栓即可完成中间轴的安装。该结构大大简化了中间轴的安装操作，拆装也十分方便，松开轴承盖螺栓，取下轴承盖，即可将中间轴系整体取出，装配效率和维修效率都非常高。

对设计的新型减速器壳体进行强度分析，建立了如图4所示的分析数模进行仿真分析建模。根据《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》（QC/T1022－2015）强度要求，对分析壳体强度与刚度进行分析。其中强度评价指标包括：抗拉强度后备系数（安全系数）>2.5；最大应力<材料屈服强度。分析中施加实际工况下的最大扭矩为150N·m，螺栓孔位置设置为接地固定。

抗拉强度后备系数为 

（1） 

式中，σ_b为材料抗拉强度；σ为构件在工作中承受的最大应力。减速器壳体的振动可以通过结构动力学模型来描述。振动传播模型可以通过以下的方程来表示：

（2） 

式中，M为系统的质量矩阵，表示壳体和内部部件的质量；C为阻尼矩阵，表示系统的阻尼特性，通常与材料的内耗、摩擦等因素相关；K为刚度矩阵，表示系统的弹性特性；x(t)为振动位移向量，描述了壳体和内部零件随时间的位移；F(t)为外部作用力（如齿轮啮合力、轴承力等）随时间的变化。对于整体式壳体，它的结构比较紧密，连接部分较少，因此其阻尼矩阵和刚度矩阵通常表现出较低的振动传播效应。相比之下，组装式壳体由于存在多个连接点和接缝，可能会导致更多的振动传递，因此阻尼和刚度的表现通常较差。

图4 新型减速器壳体分析数模

2.1 强度分析结果

为方便加工与保证精度，现采用ADC12铝合金作为壳体材料，该材料的抗拉强度为240MPa，屈服强度为140MPa。对壳体部件进行有限元分析，强度分析结果如图5所示，壳体的最大应力集中在轴孔连接处，大小为50.7MPa，小于材料的屈服强度。通过计算，其抗拉强度后备系数为4.73，远大于强度评价指标2.5，因此该壳体的强度满足设计要求。强度分析结果如表1所示。

图5 减速器壳体结构强度仿真云图

表1 壳体强度分析结果

2.2 刚度分析结果 

减速器壳体结构刚度仿真云图如图6所示，结果表明，该减壳发生最大变形的位置是壳体差速器轴承盖最远端，最大变形量为77.9μm。各个轴承位的变形量如表2所示。轴承位处的最大变形发生在差速器左轴承，变形量为36.84μm；最小变形在差速器右轴承处，变形量仅为5.71μm。根据设计要求，各轴承位的变形满足设计要求。

图6 减速器壳体结构刚度仿真云图

表2 减速器壳体各个轴承位变形量 单位：μm

壳体振动时，会将振动传递到空气中并转化为噪声。壳体振动影响因素包括齿轮产生的激励力和壳体自身的固有频率和模态特性。轴承位的变形量会影响齿轮激励力的波动幅度，进而影响壳体的振动。如果轴承位变形量较大，齿轮的啮合误差增大，动载荷的不规则性增强，振动幅度也随之增大。振动幅度的增大会使得噪声的辐射功率增大，变形量会影响啮合精度，精密影响振动幅度进而能够影响NVH。

2.3 约束模态分析结果

新型电桥整体式减速器壳体模态分析图如图7(a)所示，结果表明，二级齿轮在5500r/min转速下的四倍啮合频率为3918.8Hz，与该轴向模态的振动频率3868Hz相差1.3%。本方案采用修缘齿轮，其轴向激励几乎为零，因此该轴向模态不存在共振风险。如图7(b)所示，3386Hz的扭转模态分析结果显示，其与一级齿轮在5500r/min下二倍啮合的频率3483.4 Hz相差2.9%。由于扭转模态需要较大的交变扭矩才能激发共振，且该减速器的扭转刚度较高，加之齿轮修缘后传递扭矩平稳，故同样不存在共振风险。

图7 新型电桥整体式减速器壳体模态分析图

在产品方案确定以及进行强度、刚度分析后，确定设计结构满足设计要求。开展样件试制工作，新结构制造难度降低，成本增加两个螺栓和两个轴承盖的费用，齿轮修缘精度会提升，新型减速器总成样件如图8(a)所示。同时，将该减速器总成装配到后桥总成上，然后将后桥总成装配到宏光MINI电动车实车进行NVH测试如图8(b)所示。

图8 样件与总成模型

图 9 为柳州五菱汽车工业有限公司的减速器 NVH 测试台架，台架配备三台测功机，能够按要 求实现加减速加载并且通过特制振动传感器，通 过特殊算法实现将振动转化为阶次噪音、边测边 采集齿轮阶次噪音、其他振动曲线、阶次曲线、 瀑布图等。经台架测试合格后，随机抽取样件进 行整车测试。该减速器总成装配上宏光 MINI 上进 行了 NVH 测试，测试麦克风布置在乘坐舱的后排 座椅中部头枕位置。振动传感器布置在主减速器 一轴小轴承外壳处。使用采集卡采取数据导入电 脑进行了数据分析（见图 10）。

图9 减速器NVH测试台架

图10 实车实验数据采集与处理电桥减速器整车

NVH噪声测试结果如图11所示，根据测试结果，3#件两级齿轮在车速75km/h左右存在突出峰值，原电桥10.98阶最高噪音64.00dB，整体式新型电桥10.98阶次最高噪音56.64dB且不存在突出峰值。5#件两级齿轮在车速75km/h左右存在突出峰值，原电桥10.98阶次最高噪音60.76dB，整体式新型电桥10.98阶次最高噪音54.34dB且不存在突出峰值。

图11 整车NVH测试结果

新型电桥减速器壳体设计结构的噪音表现优于原有结构（见图1），齿轮NVH优化效果尤为明显，特别是3#件二级齿轮（10.98阶）新型电桥比原有电桥下降7.36dB。5#件一级齿轮（19阶）下降了4.97dB（见表3）。特别说明：新型电桥减速器样件整体壳体为精雕件，齿轮临时改制件，差壳为临时改制件，如果为正式量产物料，噪音降低效果将更好。原方案件为批量生产随机抽取物料。

表3 电桥减速器NVH测试结果对比 单位：dB

针对传统减速器壳体存在的装配效率低、密封可靠性不足及NVH性能受限等问题，提出了一种四轴承盖式整体减速器壳体结构。研究表明，该结构实现了中间轴齿轮组的整体装配，在满足壳体强度和刚度设计要求的同时，进行了模态分析，采用修缘齿轮和整体式壳体，提高了传动系统装配精度及NVH性能，改善了装配维修便利性，并降低了漏油风险。模态仿真分析结果分析证实不存在共振的风险。样件试制及实车测试结果得到齿轮NVH优化效果尤为明显，特别是3#件二级齿轮（10.98阶）新型电桥比原有电桥下降7.36dB，验证了该结构设计的可行性和良好的综 合性能。该研究可为减速器壳体结构优化设计提供一定参考。

来源：汽车NVH云讲堂