Architektúra jednorýchlostného reduktora pre elektromobily – prečo jeden stupeň špirálového prevodu
Pohon elektromobilu na batérie spája elektromotor priamo s poháňanými kolesami prostredníctvom jednostupňového pohonu. špirálové ozubené koleso reduktor a diferenciál. Na rozdiel od prevodovky so spaľovacím motorom so 6 – 10 prevodovými stupňami, ktoré udržiavajú motor v úzkom výkonovom pásme, elektromobil dosahuje svoj maximálny krútiaci moment od nulových otáčok – nie je potrebné radenie. Jediný redukčný pomer je zvolený tak, aby vyvážil maximálnu rýchlosť s trakciou pri nízkych rýchlostiach:
Výber prevodového pomeru:
Maximálna rýchlosť vozidla v_max = 200 km/h; polomer valivého pohybu pneumatiky r = 0,33 m
Požadovaná rýchlosť kolesa: n_kolo = v_max / (2π × r × 60/1000) = 200 000 / (2π × 0,33 × 60) = 1 607 ot./min.
Ak sú maximálne otáčky motora n_motor = 18 000 ot./min.:
Jednostupňový prevodový pomer i = n_motora / n_kolesa = 18 000 / 1 607 ≈ 11,2:1
Typické redukčné pomery EV: 8:1 až 14:1 (jednostupňový špirálové ozubené koleso pár)
Tento jednostupňový pomer vyžaduje špirálové ozubené koleso pastorok so z₁ zvyčajne 16 – 22 zubami a koleso so z₂ = 150 – 250 zubami – koleso s vysokým počtom zubov, ktoré je náročné vyrobiť podľa triedy DIN 4 – 5, pretože presnosť profilu na ozubenom kolese s veľkým priemerom vyžaduje dlhší čas brúsenia a starostlivejšie tepelné riadenie počas brúsenia.
Výzva vysokej rýchlosti – Prečo všetko ovláda kv pri 18 000 otáčkach za minútu
Dynamický faktor K_V v norme ISO 6336 zohľadňuje dodatočnú silu záberu ozubených kolies generovanú špirálové ozubené koleso vlastná prenosová chyba páru, ktorá budí systém na sieťovej frekvencii. K_V silne závisí od rýchlosti – dramaticky stúpa nad približne 5 m/s rýchlosť na čiare rozstupu pre nižšie triedy presnosti DIN:
| Rýchlosť na čiare rozstupu | DIN trieda 8 K_V | DIN trieda 6 K_V | Trieda DIN 4–5 K_V | Dôsledok pre hodnotenie prevodového stupňa |
|---|---|---|---|---|
| 5 m/s (priemyselné) | 1,20 – 1,35 | 1,10 – 1,18 | 1,04 – 1,07 | Všetky triedy sú akceptovateľné |
| 15 m/s (rýchla priemyselná) | 1,60 – 1,95 | 1,25 – 1,40 | 1,06 – 1,10 | DIN 8 neprijateľné; Vyžaduje sa DIN 5+ |
| 35 m/s (EV: ~10 000 ot./min., M3, d=60 mm) | 2,5 – 3,5+ | 1,50 – 1,80 | 1,08 – 1,14 | DIN 8 nepoužiteľné; DIN 6 okrajová; DIN 4–5 nevyhnutné |
| 60 m/s (EV: ~18 000 ot./min., M3, d=60 mm) | >4,0 (nepoužiteľné) | 2,0–2,5+ | 1,10 – 1,18 | Iba trieda DIN 4–5 poskytuje prijateľný KV pre menovitý špirálový prevod EV. |
Pri 18 000 ot./min s M3 a z₁ = 20 (d₁ = 64 mm) je rýchlosť pozdĺž línie rozstupu v = π × 0,064 × 18 000/60 = 60,3 m/s. Pri tejto rýchlosti sa odvaľovacia fréza triedy DIN 8 špirálové ozubené koleso generuje K_V > 4,0 – čo znamená, že dynamická záberová sila je 4× väčšia ako statická prenášaná sila. Nejde o 4× zníženie účinnosti; ide o 4× zvýšenie sily zubov použitej pri výpočte pevnosti ozubeného kolesa – čo vyžaduje, aby ozubené koleso bolo dimenzované tak, ako keby prenášalo 4× skutočný krútiaci moment. Naproti tomu trieda DIN 4–5 s K_V ≈ 1,12 umožňuje dimenzovať ozubené koleso iba na 12% nad statickým zaťažením – čo predstavuje 3,5-násobné zníženie požadovanej veľkosti ozubeného kolesa v porovnaní s triedou DIN 8. Preto EV špirálové ozubené koleso Presné brúsenie podľa DIN triedy 4–5 nie je voliteľné: je to jediná cesta k ozubenému kolesu, ktoré je zároveň dostatočne ľahké a dostatočne pevné.
Požiadavky na hluk, vibrácie a vibrácie – Kabína elektromobilu je tichá miestnosť
Reduktor elektromobilu špirálové ozubené koleso — Presne brúsené podľa DIN triedy 4–5 s parabolickým odľahčením hrotu (C_α = 5–12 µm) a izotropným superfinišovaním (Ra ≤ 0,05 µm). Kombinovaný výsledok: chyba prenosu pod 2 µm na rozstupovej kružnici a príspevok záberu ozubených kolies k hluku v kabíne pod 30 dB(A), čo spĺňa ciele NVH vozidla bez maskovania hluku spaľovacieho motora
Prečo je šum a vibrácie (NVH) u elektromobilov ťažšie ako šum a vibrácie u automobilových spaľovacích motorov
Spaľovací motor (ICE) vytvára v kabíne vozidla pri diaľničnej rýchlosti širokopásmovú hlukovú hladinu približne 55 – 70 dB(A), ktorá maskuje kvílenie ozubených kolies z prevodovky. Hluk ozubeného kolesa (z × ot./min. / 60) sa v hluku ICE stráca. V batériovom elektrickom vozidle ICE chýba: akustická hladina v kabíne pri rýchlosti 100 km/h klesá na 40 – 50 dB(A). Reduktor EV špirálové ozubené koleso frekvencia prenosu – napríklad z₁ = 20, 3 600 ot./min. pri 100 km/h → frekvencia prenosu = 1 200 Hz – je teraz jasne počuteľná ako tónové kvílenie s hlučnosťou 45 – 50 dB(A) bez protiopatrení na zníženie šumu a vibrácií (NVH). Cieľové hodnoty NVH od výrobcov elektromobilov pre príspevok k šumu a vibráciám sú zvyčajne pod 30 – 35 dB(A) pri uchu vodiča.
Izotropné superfinišovanie – viac než len štandardné brúsenie
Štandardné generátorové brúsenie HÖFLER dosahuje Ra = 0,2–0,4 µm na špirálové ozubené koleso bok zuba. Reduktory EV navyše používajú izotropné superfinišovanie (ISF) – chemicky urýchlený vibračný proces dokončovania hmoty, ktorý rovnomerne odstraňuje brúsne vrcholy zo všetkých orientácií povrchu, čím sa dosahuje Ra = 0,02 – 0,08 µm bez akýchkoľvek smerových brúsnych stôp. Výhoda NVH: každé zníženie Ra o 50% znižuje hluk záberu ozubeného kolesa približne o 2 – 3 dB(A), pretože jemnejší povrch zvyšuje pomer filmu EHL λ a znižuje budenie kontaktu s drsnosťou.
Štandardné brúsené špirálové ozubené koleso pre elektromobily: Ra = 0,2–0,3 µm → príspevok hluku siete ~42 dB(A) základná hodnota
Po izotropnom superfinišovaní: Ra = 0,03–0,06 µm → príspevok k hluku siete ~35–38 dB(A) — typické zlepšenie o 5-7 dB(A)
Účinnosť a dojazd – záleží na každej 0,11 TP3T
Reduktor elektromobilu špirálové ozubené koleso Účinnosť priamo ovplyvňuje dojazd vozidla. Pri priemernom výkone na diaľnici 60 kW a účinnosti reduktora 98,51 TP3T spotrebuje prevodovka nepretržite 0,9 kW. Ak sa účinnosť zlepší na 99,01 TP3T, spotreba klesne na 0,6 kW – úspora 0,3 kW, ktorá pri rýchlosti 120 km/h zodpovedá približne 1,5 km dojazdu navyše zo 75 kWh batérie. Táto citlivosť vysvetľuje investície odvetvia elektromobilov do: syntetického oleja PAO špeciálne vyvinutého s prísadami EHL s nízkou trakciou; izotropného superfinišovania na minimalizáciu trenia drsnosti; a presne kalibrovaného množstva oleja (príliš veľa oleja spôsobuje straty vírením; príliš málo spôsobuje hladovanie).
| Návrhový parameter | Štandardné priemyselné špirálové ozubené koleso | Špirálové ozubené koleso reduktora EV | Prečo iné |
|---|---|---|---|
| Trieda presnosti zubov | Trieda DIN 6–8 | Trieda DIN 3–5 | Riadenie K_V pri rýchlosti na čiare sklonu 50–70 m/s |
| Povrchová úprava Ra | 0,4–0,8 µm (mleté) | 0,02–0,08 µm (ISF) | Cieľová hodnota NVH + účinnosť (kvalita filmu EHL) |
| Materiál | 20CrMnTi, 42CrMo | 18CrNiMo7-6, 20CrMnTi | Vysokocyklová únava; chladné podnebie Požiadavka Charpyho |
| Odľahčenie hrotu C_α | 15–30 µm (všeobecne) | 5–12 µm (presnosť) | NVH: nadmerné odľahčenie v bode rekuperačného brzdenia znižuje TE |
| Mazivo | Minerálny prevodový olej ISO VG 220 | Nízkoviskózny PAO VG 75W-90, prísada pre nízku trakciu špecifická pre elektromobily | Účinnosť + kompatibilita s izoláciou elektromotora |
| Materiál krytu | Liatina | Hliníkový odliatok pod vysokým tlakom (ADC12) | Hmotnosť: liatina ≈ 3× ťažšia na objem |
Regeneratívne brzdenie – oba boky zubov pod zaťažením
Pri rekuperačnom brzdení pracuje motor elektromobilu ako generátor – krútiaci moment kolesa poháňa motor dozadu, čím sa krútiaci moment obracia cez... špirálové ozubené koleso páru. Táto zmena znamená „pobrežný“ bok špirálové ozubené koleso (normálne nezaťažený v režime pohonu) teraz prenáša plný brzdný moment. Obe boky musia byť špecifikované pre rovnakú triedu presnosti a špecifikáciu odľahčenia hrotu. Korea Ever-Power špecifikuje triedu hrúbky zubov DIN 3967 gh (tesná vôľa) pre redukčné prevody EV, čím sa zabezpečí, že prechod z hnacieho na dobehový bok je plynulý s minimálnym nárazom na malú vôľu.
Korea Ever-Power — Špirálové ozubené koleso reduktora pre elektromobily
Reduktor pre elektromobily Ever-Power od Kórey špirálové ozubené koleso výroba — brúsenie na CNC stroji HÖFLER podľa DIN triedy 4–5, po ktorom nasleduje izotropné superfinišovanie na Ra ≤ 0,06 µm. Analyzátor ozubených kolies pred odoslaním overí presnosť profilu aj hrúbku zuba, pričom krivka TE je súčasťou certifikátu.
Kórejská spoločnosť Ever-Power vyrába ozubené kolesá so špirálovým rezom pre jednorýchlostné a viacrýchlostné reduktory EV z cementovaných ocelí 18CrNiMo7-6 a 20CrMnTi, trieda DIN 3–5, Ra ≤ 0,2 µm z brúsenia HÖFLER a Ra ≤ 0,06 µm po ISF. Parabolické odľahčenie hrotu sa vypočíta pre celý rozsah zaťaženia EV (pohon + rekuperácia) s kompromisnou veľkosťou, ktorá minimalizuje TE v najčastejšom prevádzkovom bode. Ako priamy výrobca špirálových ozubených koliesSpoločnosť Korea Ever-Power poskytuje na certifikáte analyzátora prevodov krivku amplitúdy budenia TE (nameraná chyba prevodovky v závislosti od uhla nakláňania), čo umožňuje simulačnému tímu NVH výrobcu originálnych dielov použiť skutočné budenie TE namiesto odhadovanej hodnoty podľa triedy DIN. Prehliadajte si sortiment špirálových ozubených kolies pre elektromobily a vysokorýchlostné presné aplikácie.
Často kladené otázky
Jednostupňový pomer 10–14:1 je pre štandard na hranici špirálové ozubené koleso pár bez nadmerného rizika podrezania pastorka (zvyčajne sa vyžaduje z₁ ≥ 16) – ale je to dosiahnuteľné aj ako jednostupňové. Dvojstupňové usporiadanie by dosiahlo vyššiu účinnosť na stupeň (dva stupne s 99,21 TP3T každý = 98,41 TP3T dohromady, oproti jednostupňovému s 98,81 TP3T), ale zvyšuje hmotnosť, objem oleja a zložitosť krytu. Balenie elektromobilu je extrémne tesné – elektrická náprava (motor + prevodovka + diferenciál v jednej integrovanej jednotke) má cieľovú hmotnosť 50 – 90 kg pre pohon s výkonom 150 kW+. Jednostupňové špirálové ozubené koleso Reduktor je uprednostňovaný, pretože dvojstupňový prevod pridáva 5 – 15 kg a 50 – 100 mm axiálnej dĺžky, čo je zvyčajne neprijateľné pri obmedzenom balení zadnej nápravy osobného elektromobilu.
Štandardné prevodové stupne spaľovacích motorov pracujú pri rýchlostiach na osi rozstupu 5 – 25 m/s a zvyčajne dosahujú triedu DIN 6 – 7, čo je postačujúce pre reguláciu K_V pri týchto rýchlostiach. Reduktor EV špirálové ozubené kolesá musí fungovať pri rýchlosti na čiare sklonu 40 – 70 m/s, kde K_V pre triedu DIN 6 – 7 stúpne na 1,5 – 2,0 – čo je prijateľné pre prevodovku so spaľovacím motorom, ktorá radí iba pod zaťažením počas 10 sekúnd pri maximálnej rýchlosti, ale nie pre reduktor elektromobilu, ktorý pracuje nepretržite pri maximálnej rýchlosti počas jazdy na diaľnici. Štandardné ozubené kolesá prevodovky so spaľovacím motorom opätovne používané v elektromobile tiež zlyhávajú v oblasti hluku, vibrácií a vibrácií (NVH): prísnejšiu cieľovú hodnotu hluku v kabíne elektromobilu (30 – 35 dB(A)) nemožno splniť s presnosťou DIN 6 – 7 a štandardnou povrchovou úpravou brúseným povrchom.
Mazivá pre reduktory elektromobilov musia súčasne spĺňať štyri obmedzenia, ktoré si navzájom protirečia: (1) nízka viskozita (VG 75W-90 alebo nižšia) pre zníženie strát vírením pri 18 000 ot./min.; (2) dostatočná hrúbka filmu EHL pri vysokých otáčkach (základový olej PAO pre nízky koeficient trakcie); (3) elektrická izolácia (žiadne iónové alebo kovové prísady, ktoré by zvyšovali vodivosť – dôležité, pretože integrovaný motor elektrickej nápravy môže prepúšťať nízkoúrovňový prúd cez olej na povrch ozubeného kolesa, ak je vodivý); (4) kompatibilné so zliatinami medi v diferenciáli. Štandardné prevodové oleje GL-5 nespĺňajú požiadavku (3); štandardná automatická prevodovka nespĺňa požiadavku (2). Výrobcovia OEM pre elektromobily špecifikujú špeciálne kvapaliny pre elektrické nápravy, ktoré spĺňajú normy JASO M369 alebo proprietárne normy OEM, ktoré spĺňajú všetky štyri obmedzenia. Reduktor elektromobilov od spoločnosti Korea Ever-Power špirálové ozubené kolesá sú navrhnuté na prevádzku s týmito špecializovanými kvapalinami pre elektrické nápravy s nízkou viskozitou a nízkou trakciou.
Pri rýchlosti 100 km/h má reduktor elektromobilu s prevodovým pomerom i = 11,2:1 a z₁ = 20 otáčky pastorka 3 600 ot./min a frekvenciu záberu 1 200 Hz – čo predstavuje 1 200 × 3 600 ot./min × 100 000 km/160 km/h = približne 4,5 × 10⁹ kontaktných cyklov počas 200 000 km životnosti vozidla. Ide o režim veľmi vysokej cyklickej únavy (VHCF, nad rámec referenčného počtu cyklov podľa normy ISO 6336, ktorý je 3 × 10⁶). Elektromobil špirálové ozubené koleso musí byť navrhnutý pre limit životnosti VHCF (v podstate plochú časť krivky SN nad ~10⁸ cyklov), nielen pre referenčný počet cyklov 3 × 10⁶. Pre cementované ozubené kolesá 18CrNiMo7-6 je σ_H limit pri 10⁹ cykloch približne o 5–10% pod referenčnou hodnotou 3 × 10⁶ – mierne zníženie, ktoré je pokryté štandardným faktorom životnosti Y_N podľa normy ISO 6336. Spoločnosť Korea Ever-Power používa korekciu Y_N pre celkový počet cyklov aplikácie EV vo výpočte podľa normy ISO 6336.
Špecifikácia špirálového prevodu redukčného prevodu EV
Uveďte maximálne otáčky motora, prevodový pomer, výstupný krútiaci moment, cieľovú hodnotu NVH a rozsah balenia. Spoločnosť Korea Ever-Power špecifikuje modul, počet zubov, triedu DIN, odľahčenie hrotu a požiadavku ISF – s krivkou TE na certifikáte analyzátora ozubeného kolesa pre vstup simulácie NVH.
Trieda DIN 3–5 · ISF Ra ≤ 0,06 µm · TE krivka · Regeneračné boky zubov · 18CrNiMo7-6 · VHCF hodnotenie · MOQ 1 kus
Redaktor: Cxm
