浅谈纯电动汽车变速箱轴承选型要点

李伟

摘 要： 针对纯电动汽车与传统车变速箱结构和运行特性等方面差异，针对性的阐述了纯电动汽车变速箱开发过程中轴承的选型要点。为相关设计人员提供有益参考。

关键词： 变速箱；轴承；纯电动汽车；新能源

随着新能源汽车产业的推广和普及以相关技术的日趋成熟，纯电动汽车的研发重点已经从动力性，经济型逐步向舒适性（NVH），轻量化等方面转移。作为纯电动汽车的关键部件--变速箱，在设计过程中也更加注重其噪音水平，结构紧凑度等指标。同时，变速箱动力输入装置的变革--即由传统的发动机改变为电动机，也对变速箱内部传动部件尤其是轴承的选型开发产生了的深刻影响。本文针对较为常见的前置前驱车辆横置变速箱内部轴承选型进行讨论。

1.轴承结构类型的确定

变速器常用轴承包括深沟球轴承，圆柱滚子轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承等。这些轴承具有各自的特点，需要根据具体应用情况选择。

1.1输入轴轴承结构类型

纯电动汽车变速箱输入轴转速较高，通常峰值转速可达12000-15000rpm，這一点与传统车差距较大，传统车发动机峰值转速一般低于7000rpm。同时对轴承传动精度，噪音水平要求较高。所以轴承结构类型以深沟球轴承为主要考虑，深沟球摩擦因数小，极限转速高，噪音小，成本低。主要用于承受径向载荷的场合，也能够承受一定的轴向载荷。 另外，为了改善高转速下离心力的影响，可选用一些轴承厂家专门为高速运转设计的采用非金属保持架的长寿命深沟球轴承。

1.2输出轴轴承结构类型

传统车变速箱输出轴通常采用两个面对面安装的圆锥滚子轴承传动。圆锥滚子轴承虽然承受复合载荷的能力优于深沟球轴承，但由于是分体式轴承，装配时需要预紧，对装配质量控制要求很高，在使用过程中，轴承发热也比较严重，通常都要设计专门的油路对其进行强制润滑。对于纯电动汽车来说，为了改善噪音水平，降低轴承发热以及提高装配工艺可控性。笔者选型时应优先考虑采用深沟球轴承。需要注意的是，选用深沟球轴承必须对轴向极限载荷进行校核。空间允许的条件下，也可以考虑轴承并联成组安装；或通过调整传动齿轮参数以抵消一部分轴向力等方法改善轴承受载状况。详见参考文献2。

1.3主减速输出轴轴承结构类型

主减速输出轴结构，传递转矩，转速等状况与传统车基本相当，可以沿用传统车方案设计只进行必要的使用寿命校核即可。由于主减速输出轴轴向载荷较大且难以通过设计使轴向载荷得到分担或抵消，所以主减速输出轴轴承类型仍以圆锥滚子轴承为主要考虑，布置方式上为2个轴承面对面布置，由于两个轴承的轴向载荷不同，所以两个轴承的规格可以不同，但从成本，装配质量控制等方面考虑，规格也可以相同。

2.轴承尺寸的确定

轴承的尺寸包括内径（d），外径（D），宽度（B）等，其中内径是首先确定的且是后续选型的主要依据。其他外形尺寸则需要根据载荷，转速，轴系中心距等参数综合确定。

2.1输入轴轴承尺寸的确定

首先要根据变速箱输入峰值转矩确定输入轴最细处花键部分直径，一般按照下面的经验公式汽车变速箱输入轴花键部分直径d（小径）可按下式初选：

式中：K=4.0-4.6，经验系数；Memax--驱动电机输出峰值转矩；

考虑到轴承的装配性，轴承内径尺寸应大于上述尺寸进行选择。

2.2输出轴轴承尺寸的确定

变速箱输出轴可参考变速箱输入轴类似的方法估算和初选轴径，但要注意考虑传动比的影响：

式中：i1--1档传动比；

考虑到轴承的装配性，轴承内径尺寸应大于上述尺寸进行选择。

2.3主减速输出轴轴承尺寸的确定

如上文所述，主减速器部分无论从结构形式还是传动参数方面都与传统车相当，可以直接借用对应的传统车方案而不必重新开发。

3.轴承极限转速的确定

滚动轴承转速运行速度有一个极限，即极限转速。纯电动汽车变速箱轴承选型时，轴承的极限转速应根据驱动电机的峰值转速确定。

3.1输入轴轴承极限转速

变速箱输入轴一般直接通过联轴器与驱动电机输出轴连接，故：

n1max=nemax

式中：n1max--变速箱输入轴轴承极限转速；nemax--驱动电机输出峰值转速；

3.2输出轴轴承极限转速

变速箱输出轴与变速箱输入轴以固定传动比传动，故：

n2max=n1max/i1

式中：n2max--变速箱输出轴轴承极限转速； i1--1档传动比；

3.3主减速输出轴轴承极限转速

主减速输出轴与变速箱输入轴以固定传动比传动，故：

n3max=n2max/i0

式中：n3max--主减速输出轴轴承极限转速； i0--主减速比；

4轴承载荷的确定

轴承载荷按照载荷的作用方向分为轴向载荷（Fa）和径向载荷（Fr）两种。按照载荷的作用状态分为基本额定动载荷（Cr）和基本额定静载荷（C0r）。轴承的选型以基本额定动载荷为主要依据，通过计算得出的轴向载荷和径向载荷，需先经过换算转化为当量动载荷（P），然后作为依据与轴承选型表中的基本额定动载荷对照选型。

4.1输入轴轴承载荷

轴承的载荷来自于齿轮传动，所以首先应对输入轴齿轮进行受力分析，求解出齿轮作用力即圆周力（Ft），径向力（Fr）和轴向力（Fa）三个分力，计算公式如下：

式中：αn--法向压力角；β--螺旋角；d--分度圆直径；

然后根据材料力学公式求出两个轴承位置的支座反力并确定轴向载荷和径向载荷，进而通过换算确定当量动载荷。

4.2输出轴轴承载荷

变速箱输出轴上有两个齿轮，要分别进行受力分析。其中与变速箱输入轴啮合的齿轮受力与4.1节中计算数值相同只是方向相反。与主减速输出轴啮合的齿轮在受力分析时应注意圆周力的计算公式变更为：

4.3主减速输出轴轴承载荷

主减速输出轴上有1个齿轮，齿轮受力与4.2节中数值相同只是方向相反。

5轴承验算

5.1轴承轴向极限载荷验算

深沟球轴承承受轴向载荷的能力有限。 所以变速箱输入轴和输出轴轴承须验算轴承的轴向极限载荷，详见参考文献1。

5.2轴承寿命验算

通过上述选型计算，可初步确定轴承规格。根据汽车的里程寿命要求（一般按30万公里计算），结合上文求得的轴承载荷数据以及轴承的额定载荷参数进行变速箱轴承寿命的验算，具体过程见参考文献2。由于轴承的实际运转状况非常复杂，所以轴承寿命的验算还需结合同类产品应用经验以及整个生命周期内使用工况综合考虑。

纯电动汽车变速箱轴承使用寿命的主要关注点在变速箱输入轴和输出轴轴承上。一方面由于动力源的改变，导致整个生命周期内轴承平均转速上升，必然会影响轴承的使用寿命。另一方面，轴向载荷的存在也使轴承的工作状态更为恶劣和复杂。所以对于变速箱输入轴和输出轴轴承的使用寿命要重点校核。对于主减速输出轴轴承，如果是沿用传统车轴承方案，且其运转工况与传统车轴承近似，一般均可满足使用寿命要求。

参考文献

[1]《滚动轴承的分析方法》 万长森 机械工业出版社.

[2]《变速器》 高维山 人民交通出版社.

[3]《机械设计手册》闻邦椿 机械工业出版社.

[4]《材料力学》田玉梅 贾杰 清华大学出版社.