Архитектура односкоростного редуктора для электромобилей — почему необходима одна ступень с косозубыми шестернями?
В электромобиле с аккумуляторной батареей электродвигатель напрямую соединен с ведущими колесами через одноступенчатую систему. косозубая передача Редуктор и дифференциал. В отличие от трансмиссии двигателя внутреннего сгорания с 6–10 передаточными числами для поддержания двигателя в узком диапазоне мощности, электродвигатель электромобиля развивает пиковый крутящий момент с нулевых оборотов — переключение передач не требуется. Единственное передаточное число выбирается для баланса между возможностью достижения максимальной скорости и сцеплением на низких скоростях:
Выбор передаточного отношения:
Максимальная скорость автомобиля v_max = 200 км/ч; радиус качения шины r = 0,33 м
Требуемая скорость вращения колеса: n_wheel = v_max / (2π × r × 60/1000) = 200 000 / (2π × 0,33 × 60) = 1607 об/мин
Если максимальная скорость двигателя n_motor = 18 000 об/мин:
Передаточное отношение одноступенчатой системы i = n_двигатель / n_колесо = 18 000 / 1607 ≈ 11,2:1
Типичные передаточные числа редукторов EV: от 8:1 до 14:1 (одноступенчатый). косозубая передача пара)
Это одноступенчатое соотношение требует косозубая передача Шестерня с z₁ обычно имеет 16–22 зуба, а колесо — z₂ = 150–250 зубьев — колесо с большим количеством зубьев, изготовление которого по стандарту DIN Class 4–5 представляет собой сложную задачу, поскольку для обеспечения точности профиля шестерни большого диаметра требуется больше времени шлифовки и более тщательный контроль температуры во время шлифовки.
Проблема высоких скоростей — почему значение KV на уровне 18 000 об/мин определяет всё.
Динамический коэффициент K_V в стандарте ISO 6336 учитывает дополнительную силу зацепления зубчатых передач, возникающую в результате работы механизма. косозубая передача Собственная ошибка передачи пары возбуждает систему на частоте сетки. K_V сильно зависит от скорости — она резко возрастает при скорости по оси питча выше примерно 5 м/с для более низких классов точности DIN:
| Скорость по линии питча | DIN Класс 8 K_V | Класс DIN 6 K_V | Класс DIN 4–5 K_V | Последствия для рейтинга снаряжения |
|---|---|---|---|---|
| 5 м/с (промышленный) | 1,20–1,35 | 1.10–1.18 | 1,04–1,07 | Принимаются все классы. |
| 15 м/с (быстрая промышленная скорость) | 1,60–1,95 | 1,25–1,40 | 1,06–1,10 | DIN 8 неприемлемо; Требуется DIN 5+ |
| 35 м/с (EV: ~10 000 об/мин, M3, d=60 мм) | 2,5–3,5+ | 1,50–1,80 | 1,08–1,14 | DIN 8 непригоден для использования; DIN 6 маргинальный; DIN 4–5 обязателен |
| 60 м/с (EV: ~18 000 об/мин, M3, d=60 мм) | >4.0 (непригодно для использования) | 2.0–2.5+ | 1.10–1.18 | Только DIN-класс 4–5 обеспечивает приемлемое значение KV для косозубых передач электромобилей. |
При 18 000 об/мин с M3 и z₁ = 20 (d₁ = 64 мм) скорость по делительной окружности v = π × 0,064 × 18 000/60 = 60,3 м/с. При этой скорости зубофрезер класса DIN 8 косозубая передача генерирует K_V > 4,0 — это означает, что динамическая сила зацепления в 4 раза превышает статическую передаваемую силу. Это не 4-кратное снижение эффективности; это 4-кратное увеличение силы зуба, используемой при расчете прочности шестерни, — что требует расчета размеров шестерни так, как если бы она передавала в 4 раза больший фактический крутящий момент. В отличие от этого, DIN Class 4–5 с K_V ≈ 1,12 позволяет рассчитывать размеры шестерни только на 12% выше статической нагрузки — снижение требуемого размера шестерни в 3,5 раза по сравнению с DIN Class 8. Вот почему EV косозубая передача Прецизионная шлифовка по стандарту DIN 4–5 не является необязательной: это единственный способ получить шестерню, которая одновременно достаточно легкая и достаточно прочная.
Требования к уровню шума и вибрации — салон электромобиля — это тихое помещение.
редуктор EV косозубая передача — Прецизионная шлифовка по DIN 4–5 с параболическим сглаживанием вершин (C_α = 5–12 мкм) и изотропной сверхточной обработкой (Ra ≤ 0,05 мкм). В результате: погрешность передачи менее 2 мкм на делительной окружности и вклад зацепления шестерен в шум в салоне менее 30 дБ(А), что соответствует целевым показателям NVH (шум, вибрация, жесткость) автомобиля без маскирующего шума от двигателя внутреннего сгорания.
Почему уровень шума и вибрации в электромобилях выше, чем в автомобильных трансмиссиях с двигателями внутреннего сгорания?
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) создает широкополосный уровень шума приблизительно 55–70 дБ(А) в салоне автомобиля на высоких скоростях, который маскирует свист зацепления шестерен трансмиссии. Частота зацепления (z × об/мин / 60) теряется в шуме ДВС. В электромобиле ДВС отсутствует: уровень акустики салона на скорости 100 км/ч падает до 40–50 дБ(А). Редуктор для электромобилей косозубая передача Частота зацепления — например, z₁ = 20, 3600 об/мин при 100 км/ч → частота зацепления = 1200 Гц — теперь отчетливо слышна как тональный свист на уровне 45–50 дБ(А) без мер по снижению шума и вибрации. Целевые показатели шума и вибрации для электромобилей, производимых производителями, обычно составляют менее 30–35 дБ(А) на уровне уха водителя.
Изотропная сверхтонкая шлифовка — за пределами стандартного шлифования.
Стандартная шлифовка HÖFLER обеспечивает шероховатость Ra = 0,2–0,4 мкм. косозубая передача Боковая поверхность зуба. В редукторах EV дополнительно используется изотропная сверхтонкая обработка (ISF) — химически ускоренный процесс вибрационной обработки, который равномерно удаляет шлифовальные пики со всех ориентаций поверхности, достигая Ra = 0,02–0,08 мкм без каких-либо направленных шлифовальных следов. Преимущество в отношении NVH: каждое уменьшение Ra на 50% снижает шум зацепления зубьев примерно на 2–3 дБ(А), поскольку более тонкая поверхность увеличивает коэффициент эластогидродинамической пленки λ и уменьшает возбуждение от контакта шероховатостей.
Стандартная зубчатая передача EV с косозубыми шестернями: Ra = 0,2–0,3 мкм → вклад шума зацепления ~42 дБ(А) в базовом диапазоне
После изотропной сверхточной обработки: Ra = 0,03–0,06 мкм → вклад шума сетки ~35–38 дБ(А) — типичное улучшение на 5–7 дБ(А).
Эффективность и дальность действия — каждая цифра 0,1% имеет значение.
редуктор EV косозубая передача Эффективность напрямую влияет на запас хода автомобиля. При средней мощности 60 кВт на трассе и КПД редуктора 98,5% коробка передач потребляет 0,9 кВт в непрерывном режиме. Если КПД повышается до 99,0%, потребление снижается до 0,6 кВт — экономия в 0,3 кВт, что при скорости 120 км/ч соответствует примерно 1,5 дополнительным километрам запаса хода от батареи емкостью 75 кВт⋅ч. Такая чувствительность объясняет инвестиции индустрии электромобилей в: синтетическое масло PAO, специально разработанное с низкофрикционными присадками EHL; изотропную сверхтонкую обработку для минимизации трения на неровностях; и точно откалиброванное количество масла (слишком много масла вызывает потери при перемешивании; слишком мало — голодание).
| Параметры проектирования | Стандартная промышленная косозубая передача | Редуктор EV с косозубыми шестернями | Почему разные? |
|---|---|---|---|
| Класс точности зубьев | Класс DIN 6–8 | Класс DIN 3–5 | Управление K_V при скорости по тангажу 50–70 м/с |
| Качество поверхности Ra | 0,4–0,8 мкм (шлифованный) | 0,02–0,08 мкм (ISF) | Целевой показатель NVH + эффективность (качество пленки EHL) |
| Материал | 20CrMnTi, 42CrMo | 18CrNiMo7-6, 20CrMnTi | Высокая циклическая усталость; требования к методу Шарпи для холодного климата |
| Снижение высоты наконечника C_α | 15–30 мкм (общий размер) | 5–12 мкм (точность) | НВГ: чрезмерное снижение уровня шума в точке рекуперативного торможения уменьшает TE. |
| Смазка | Минеральное трансмиссионное масло ISO VG 220 | Низковязкое полиальфаолефиновое масло VG 75W-90, присадка, специально разработанная для электромобилей, снижающая сцепление с дорогой. | Эффективность + совместимость с изоляцией электродвигателя |
| Материалы для корпуса | Чугун | Алюминий, отлитый под высоким давлением (ADC12) | Вес: чугун примерно в 3 раза тяжелее на единицу объема. |
Рекуперативное торможение — обе боковые поверхности зубьев под нагрузкой
При рекуперативном торможении электродвигатель электромобиля работает как генератор — крутящий момент на колесе приводит двигатель в движение в обратном направлении, изменяя направление крутящего момента через... косозубая передача пара. Этот разворот означает «прибрежный» фланг косозубая передача (обычно не нагруженный в режиме привода) теперь несет полный тормозной момент. Обе боковые поверхности должны соответствовать одному и тому же классу точности и спецификации по зазору на конце зуба. Компания Korea Ever-Power устанавливает класс толщины зубьев DIN 3967 gh (малый люфт) для редукторов электромобилей, обеспечивая плавный переход от приводной к накатной стороне с минимальным воздействием на малый зазор.
Korea Ever-Power — Возможность установки редукторов с косозубыми шестернями.
Корейский редуктор EverPower для электромобилей косозубая передача Производство — шлифовка на станке с ЧПУ HÖFLER по стандарту DIN 4–5 с последующей изотропной сверхчистовой обработкой до Ra ≤ 0,06 мкм. Перед отправкой точность профиля и толщина зубьев проверяются с помощью анализатора зубчатых передач, а кривая TE включена в сертификат.
Компания Korea Ever-Power производит косозубые шестерни Для односкоростных и многоскоростных редукторов EV из цементированных сплавов 18CrNiMo7-6 и 20CrMnTi, класс DIN 3–5, Ra ≤ 0,2 мкм после шлифовки HÖFLER и Ra ≤ 0,06 мкм после ISF. Параболический выступ на конце вала рассчитывается для всего диапазона нагрузок EV (привод + регенерация) с компромиссной величиной, которая минимизирует TE в наиболее часто используемой рабочей точке. В качестве прямого производитель косозубых передачКомпания Korea Ever-Power предоставляет кривую амплитуды TE (измеренная ошибка передачи в зависимости от угла крена) в сертификате анализатора зубчатых передач, что позволяет команде моделирования NVH производителя оборудования использовать фактическое возбуждение TE, а не расчетное значение класса DIN. Ознакомьтесь с информацией. Ассортимент продукции с косозубыми шестернями для электромобилей и высокоскоростных высокоточных применений.
Часто задаваемые вопросы
Соотношение компонентов на одной стадии 10–14:1 является предельным для стандарта. косозубая передача Пара без чрезмерного риска подрезки шестерни (обычно требуется z₁ ≥ 16) — но это достижимо и в одноступенчатом варианте. Двухступенчатая компоновка обеспечила бы более высокую эффективность на ступень (две ступени по 99,21 TP3T каждая = 98,41 TP3T в сумме, против одноступенчатой с 98,81 TP3T), но увеличила бы вес, объем масла и сложность корпуса. Компоновка электромобиля крайне ограничена — электроось (двигатель + коробка передач + дифференциал в одном интегрированном блоке) имеет целевой общий вес 50–90 кг для трансмиссии мощностью более 150 кВт. Одноступенчатая компоновка косозубая передача Предпочтительнее использовать редуктор, поскольку двухступенчатый редуктор добавляет 5–15 кг и 50–100 мм осевой длины, что обычно неприемлемо в условиях ограниченного пространства задней оси легкового электромобиля.
Стандартные редукторы двигателей внутреннего сгорания работают при скоростях делительной окружности 5–25 м/с и обычно соответствуют классу DIN 6–7, что достаточно для управления K_V на таких скоростях. Редуктор EV косозубые шестерни Необходимо обеспечить работу при скорости вращения по делительной окружности 40–70 м/с, где коэффициент трения K_V для класса DIN 6–7 возрастает до 1,5–2,0 — это приемлемо для трансмиссии ДВС, которая переключает передачи только под нагрузкой в течение 10 секунд на пиковой скорости, но неприемлемо для редуктора электромобиля, работающего непрерывно на максимальной скорости при движении по автомагистрали. Стандартные шестерни трансмиссии ДВС, используемые в электромобилях, также не соответствуют требованиям по уровню шума и вибрации: более жесткий целевой показатель шума в салоне электромобиля (30–35 дБ(А)) не может быть достигнут с точностью, соответствующей стандарту DIN 6–7, и стандартной шлифовкой поверхности.
Смазочные материалы для редукторов электромобилей должны одновременно удовлетворять четырем противоречащим друг другу требованиям: (1) низкая вязкость (VG 75W-90 или ниже) для снижения потерь на перемешивание при 18 000 об/мин; (2) достаточная толщина эластогидродинамической пленки на высоких скоростях (базовое масло PAO для низкого коэффициента тяги); (3) электроизоляционные свойства (отсутствие ионных или металлических добавок, повышающих проводимость — это важно, поскольку встроенный электродвигатель может пропускать ток низкого уровня через масло к поверхности шестерни, если оно проводящее); (4) совместимость с медными сплавами в дифференциале. Стандартные трансмиссионные масла GL-5 не соответствуют требованию (3); стандартные трансмиссионные жидкости ATF не соответствуют требованию (2). Производители электромобилей указывают специальные жидкости для электродвигателей, соответствующие стандарту JASO M369 или собственным стандартам производителей, которые удовлетворяют всем четырем требованиям. Редуктор электромобиля компании Korea Ever-Power косозубые шестерни Они предназначены для работы с этими специальными жидкостями для электроосей с низкой вязностью и низким коэффициентом сцепления.
При скорости 100 км/ч редуктор электромобиля с передаточным отношением i = 11,2:1 и z₁ = 20 имеет скорость вращения вала шестерни 3600 об/мин и частоту зацепления 1200 Гц — что в сумме составляет 1200 × 3600/мин × 100 000 км/160 км/ч = приблизительно 4,5 × 10⁹ циклов контакта за 200 000 км пробега автомобиля. Это режим сверхвысокоцикловой усталости (VHCF, превышающий эталонное количество циклов по ISO 6336, равное 3 × 10⁶). косозубая передача Конструкция должна быть рассчитана на предел выносливости VHCF (по сути, это плоский участок кривой SN выше ~10⁸ циклов), а не только на эталонное значение 3 × 10⁶ циклов. Для цементированных шестерен из стали 18CrNiMo7-6 предел σ_H при 10⁹ циклах примерно на 5–10% ниже эталонного значения 3 × 10⁶ — это небольшое снижение, которое покрывается стандартным коэффициентом ресурса Y_N согласно ISO 6336. Компания Korea Ever-Power применяет поправку Y_N для общего количества циклов в приложениях для электромобилей в расчете по ISO 6336.
Технические характеристики косозубого редуктора EV
Укажите максимальную частоту вращения двигателя, передаточное число, выходной крутящий момент, целевой уровень шума и вибрации (NVH) и габариты. Компания Korea Ever-Power указывает модуль, количество зубьев, класс DIN, зазор между зубьями и изолятором напряжения (ISF) — с кривой TE, указанной в сертификате анализатора зубчатых передач, для ввода данных моделирования NVH.
Ассортимент продукции с косозубыми шестернями
Класс DIN 3–5 · ISF Ra ≤ 0,06 мкм · TE-кривая · Регенерированные боковые поверхности зубьев · 18CrNiMo7-6 · Класс износостойкости VHCF · Минимальный заказ 1 штука
Редактор: Cxm
