摘要：在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保理念的影響下，新型的電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是不使用傳統(tǒng)燃油，減少對(duì)環(huán)境的污染；利用新型驅(qū)動(dòng)方式減少高耗能現(xiàn)象，屬于新型能源汽車類型。輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是電動(dòng)汽車的獨(dú)有的新型驅(qū)動(dòng)方式，其傳動(dòng)的效率直接關(guān)系到整車的傳動(dòng)效率。研究輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率主要在于分析其齒輪箱的效率?；诖?，筆者重點(diǎn)探討了電動(dòng)汽車輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱總效率，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；齒輪箱；效率分析

一、新能源汽車輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

新能源汽車主要運(yùn)用蓄電池、燃料電池及超級(jí)電容來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力源，因此其具備區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。新能源汽車特有的驅(qū)動(dòng)形式是輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其能夠直接將電機(jī)安裝在車輪的輪轂中，不僅可以對(duì)離合器、變速器、主減速器及差速器等傳動(dòng)部件的省略，而且優(yōu)化了整車結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)的效率，同時(shí)還可以對(duì)車輪運(yùn)用電子控制及進(jìn)行電子差速控制。依據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，可以將其劃分為直接驅(qū)動(dòng)式和減速驅(qū)動(dòng)式兩種。

（一）直接驅(qū)動(dòng)式輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直接驅(qū)動(dòng)式的輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要運(yùn)用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無需設(shè)置齒輪減速裝置，只需在車輪輪轂上直接安全電機(jī)外轉(zhuǎn)子，電機(jī)轉(zhuǎn)速等同于車輪轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制直接決定車速的控制。該類型電驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)效率較高，結(jié)構(gòu)簡便，無需設(shè)置齒輪減速裝置。但是當(dāng)其車輪的體積及質(zhì)量相對(duì)較大時(shí)，技術(shù)要求較高，經(jīng)濟(jì)成本也較高。同時(shí)因電機(jī)和車輪整合為一個(gè)整體，導(dǎo)致整車的非簧載的質(zhì)量有所增加，降低了駕駛的舒適程度。

（二）減速驅(qū)動(dòng)式輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

減速驅(qū)動(dòng)式的輪邊驅(qū)動(dòng)級(jí)系統(tǒng)主要包含了高速電機(jī)、齒輪減速裝置及車輪等，當(dāng)前主要使用的是行星齒輪減速器作為其齒輪減速裝置。該類型的減速器能夠?qū)崿F(xiàn)同軸減速，具有傳動(dòng)比大，體積小等優(yōu)點(diǎn)，但其非簧載質(zhì)量過大的缺點(diǎn)并沒有得到改善。與之相比，單擺臂懸架式減速裝置在減速的同時(shí)可將部分非簧載質(zhì)量等效成簧載質(zhì)量，提高了汽車行駛過程中的舒適度，是更加理想的減速裝置。

本文所研究的輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱就是以單臂懸架式減速裝置為基礎(chǔ)。該型齒輪箱具有外殼扁平，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。內(nèi)部采用二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，潤滑方式為攪油潤滑。

二、齒輪箱功率損失的計(jì)算

（一）攪油功率損失

齒輪箱的攪油功率損失主要來源于潤滑油與齒輪箱內(nèi)部元件的摩擦損耗。攪油損失的影響因素主要包括潤滑油粘度、輸入轉(zhuǎn)速、工作溫度、齒輪螺旋角和齒輪的浸油深度。本文使用英國標(biāo)準(zhǔn)（AGMA IS014179-1）給出適用于高轉(zhuǎn)速下的攪油損失計(jì)算公式。攪油損失包括3部分：與光軸外徑有關(guān)的攪油損失；與盤光面有關(guān)的攪油損失；與齒面有關(guān)的攪油損失。攪油損失的總功率Pc的計(jì)算公式如下：

（公式1）

在上述公式中，代表齒輪的浸沒因子，代表運(yùn)動(dòng)的粘度，cSt；代表元件的工作轉(zhuǎn)速，r/min；D0代表元件的外部直徑，mm；L代表元件的長度，mm；Ag代表配置的常數(shù)；B代表齒輪的寬度，mm；Rf代表粗糙度的因子；代表斜齒輪的輪螺旋角，如果<10°的時(shí)候，應(yīng)取為10°進(jìn)行計(jì)算。

（二）風(fēng)阻功率損失

風(fēng)阻的損失主要是小齒輪和大齒輪在齒輪箱的油氣空間中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能量損失。通過計(jì)算風(fēng)阻損失能夠確保更加精確地求得齒輪箱的總效率。

Anderson和Loewenthal分別給出了計(jì)算風(fēng)阻損失的主要計(jì)算方法。該計(jì)算方法綜合齒輪箱內(nèi)的油氣混合物的動(dòng)力粘度，計(jì)算公式如下：

（公式2）

Pw代表風(fēng)阻損失功率，kW；B代表齒輪的寬度，m；r代表齒輪的分度圓半徑，m；n代表齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min；μ代表齒輪箱的內(nèi)油氣混合物的動(dòng)力粘度，cP。

（三）斜齒輪嚙合的平均效率

運(yùn)用積分法得出斜齒嚙合傳動(dòng)的平均效率公式如下：

（公式3）

在上述公式中，K代表，B的系數(shù)；R1代表關(guān)于，，z1，，B的函數(shù)；R2代表，，，B的函數(shù)。縱上所述，斜齒輪的嚙合效率和主動(dòng)輪齒數(shù)z1，從動(dòng)輪齒數(shù)z2，傳動(dòng)比i，螺旋角，法面模數(shù)Mn，齒寬B，法面壓力角，法面齒頂高系數(shù)和摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)有關(guān)。

（四）軸承功率損失

軸承的效率基本上都是通過實(shí)驗(yàn)測得，通常在潤滑條件較好的狀況下，滾動(dòng)軸承的效率值大約為0.980-0.995；滑動(dòng)軸承的效率值大約為0.970-0.990。所以通常將軸承的效率取值為0.990。

三、輪邊驅(qū)動(dòng)齒輪箱總效率

由以上分析可知，齒輪的嚙合損失與軸承損失相互串聯(lián)，攪油損失與風(fēng)阻損失相互并聯(lián)。因此，可以得出齒輪箱的總效率計(jì)算公式如下：

（公式4）

在該公式中，代表的是齒輪箱的總效率，代表的是軸承的效率；代表的是嚙合的效率；代表的是主動(dòng)輪攪油及風(fēng)阻的效率；代表的是從動(dòng)輪的攪油及風(fēng)阻的效率；代表齒輪箱內(nèi)部軸承的數(shù)量；b代表齒輪箱級(jí)數(shù)。在（公式4）中，嚙合的效率可以通過（公式3）求得，軸承的效率的值也已經(jīng)確定。而齒輪的攪油及風(fēng)阻的效率可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算。

（公式5）

其中代表單個(gè)齒輪的輸入功率，代表攪油的功率損失，代表的是風(fēng)阻的功率損失。

四、輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱總效率分析

（一）輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱工況參數(shù)設(shè)定

齒輪箱的總效率不僅與其設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，也與其的工作環(huán)境條件相關(guān)。在齒輪箱尺寸確定的前提下，其總效率主要與輸入功率P，輸入轉(zhuǎn)速n，潤滑油的運(yùn)動(dòng)粘度v，潤滑油的浸沒齒高倍數(shù)k，齒面間滑動(dòng)摩擦系數(shù)和齒輪箱內(nèi)油氣混合物動(dòng)力粘度μ等因素有關(guān)。輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速取定值P=10kW，n=10000 r/min。齒輪箱內(nèi)油氣混合物動(dòng)力粘度對(duì)效率影響不明顯，取定值μ= 0.1cP。本文主要選取齒輪箱的總效率作為主要的影響參數(shù)。潤滑油運(yùn)動(dòng)粘度v，潤滑油浸沒齒高倍數(shù)k，齒面間滑動(dòng)摩擦系數(shù)為變量。其中，v的定值為60，變化區(qū)間為30-120，k的定值為0.8，變化區(qū)間為0.5-1.2，的定值為0.06，變化 區(qū)間為0.04-0.10。

（二）齒輪箱工況參數(shù)對(duì)總效率的影響分析

文章運(yùn)用Matlab軟件將試樣齒輪箱在不同的工作環(huán)境參數(shù)條件小的效率變化曲線等進(jìn)行繪制，得出了運(yùn)動(dòng)粘度、高速大齒輪齒高倍數(shù)、摩擦系統(tǒng)和總效率的關(guān)系如下：當(dāng)位于給定的變化區(qū)間范圍內(nèi)，輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱的總效率分別隨著潤滑油的運(yùn)動(dòng)粘度和潤滑油的浸沒高速大齒輪的齒高倍數(shù)的增加而不斷下降，齒輪箱的總效率隨著齒面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增加也逐步下降。

由上可知，影響齒輪箱總效率的主要因素是高速級(jí)齒輪的效率，低速級(jí)的齒輪效率隨著摩擦系數(shù)的增加而顯著變化，低速級(jí)的齒輪的嚙合損失在總損失中占據(jù)的比重較大。運(yùn)動(dòng)粘度也顯著的影響到齒輪箱的總效率，和低速級(jí)的齒輪比較，同等條件下，高速級(jí)的齒輪的效率值相對(duì)較低，損失的功率更多。當(dāng)工作環(huán)境的參數(shù)恒定時(shí)，經(jīng)計(jì)算可以得到電動(dòng)車輪邊驅(qū)