电驱高速行星齿轮：NVH优化，路在何方？

导语：电驱高速行星齿轮，作为电动汽车中的关键传动装置，以其独特的动轴传动方式和高效功率传递特性，正逐渐成为汽车传动领域的研究热点。然而，高转速、大速比、轻量化与紧凑性设计等技术特点的背后，隐藏着诸多挑战，如高扭矩下的变形、多行星轮不均载、以及转速高、激励和噪音叠加带来的附加边频等NVH挑战，都使得电驱高速行星齿轮的设计和使用变得尤为复杂。

那么，面对这些挑战，我们该如何应对？本文将通过失效模式、失效原因及改进措施的深入解析，结合其独特的均载特性和NVH特性，为你揭示电驱高速行星齿轮的内在奥秘与优化路径。

 PS: 近期多位小伙伴提出了对这份报告的兴趣，遂花了不少时间对其进行了解读，其中一些方法和理念很好，有些内容也是第一次搞清楚，收获很多，欢迎小伙伴们学习了解。

图片来源：Hexagon

---

目录

1. 电驱动高速行星齿轮的技术特点

2. 电驱高速行星轮关键技术挑战

• 2.1 结构上的挑战

• 2.2 NVH的挑战

3. 行星轮齿轮的失效分析

• 3.1 失效模式

• 3.2 失效原因

  
  

4. 行星轮轴承的失效分析

• 4.1 失效模式

• 4.2 失效原因

  
  

5. 均载特性的分析

• 5.1 为什么要均载？

  
  

6. NVH特性的分析

• 6.1 行星轮激励 - Shuttling Force

  
  

7. 总结

---

01

电驱动高速行星齿轮的技术特点

电驱行星轮是一种特殊的传动装置，它的主要特点是采用动轴传动方式，这意味着它的齿轮不是固定在一个位置旋转，而是围绕一个或多个中心轴（太阳轮）旋转，同时还有其他齿轮（行星轮）围绕这些中心轴旋转。

这种设计主要有下面几种不同的结构形式，如下图所示。

• NGW：内齿轮、太阳轮、行星轮
• NW：无内齿轮，只有太阳轮和行星轮
• 复合行星轮

图片来源：SMT

那么，在电动汽车应用中，行星轮究竟有什么样的优势?

相比传统的定轴传动，电驱行星轮能够实现更大的速比。这是因为行星轮系统通过多个中间轴将输入功率分流到不同的路径上，然后再汇合输出，这种分流和汇合的过程使得功率和扭矩的传递更加高效。此外，电驱行星轮的结构非常紧凑。使其非常适用于需要高功率密度、小体积和轻量化的电动汽车应用中。

---

02

电驱高速行星轮关键技术挑战

下图总结了电驱高速行星轮在设计和使用过程中面临的一些关键技术挑战。

2.1. 结构上的挑战

• 转速高、速比大：电驱行星轮具有较大的速比，在短时间内会将电机的转速降低到适合车辆驱动轮的速度。

• 轻量化与紧凑性：为了减轻车辆重量和提高能源效率，电驱行星轮的设计需要尽可能轻且紧凑。然而，这种设计也带来了挑战，因为更轻、更紧凑的结构往往更难承受高扭矩和高速运转带来的应力。

• 承受扭矩高，变形大：在高扭矩和高速运转下，电驱行星轮及其部件（如行星轮和行星轮轴承）容易发生变形。这种变形可能导致部件之间的配合不紧密，进而影响传动效率和寿命。

• 多行星轮不均载：当多个行星轮同时工作时，由于制造误差、安装误差或运行过程中的磨损等因素，可能导致各行星轮之间的载荷分配不均。这种不均载会加剧某些行星轮的磨损和失效。

图片来源：SMT

2.2 NVH的挑战

• 转速高，激励和噪音叠加：电驱行星轮在高速运转时，多个齿轮同时啮合会产生多个频率的振动和噪音。叠加，形成复杂的声场。

• 附加边频：随着行星架的旋转，行星轮与太阳轮和内齿圈的啮合位置会不断变化，这会导致振动和噪音的频率也发生变化。这种频率的变化称为附加边频，它会进一步增加噪音的复杂性和难以控制性。

总结下：由于上述原因，电驱高速行星轮在运行过程中往往伴随着较大的噪音和振动。这不仅会影响乘客的乘坐舒适性，还可能对车辆的其他部件造成损害。因此，NVH问题成为电驱高速行星轮设计和使用过程中需要重点关注的问题之一。

那么，我们要如何解决这些挑战呢？这就需要综合考虑材料科学、制造工艺、动力学分析以及声学设计等多个领域的知识和技术。下面采用DFMEA的方法论，从失效模式、失效原因、失效措施三个维度进行分析、说明。

---

03

行星轮齿轮的失效分析

3.1 失效模式

行星齿轮典型的失效模式主要有以下几点：

• 行星齿轮与太阳轮齿根疲劳断齿：行星齿轮或太阳轮的齿根部分，由于长时间承受交变应力（如旋转时产生的力），最终疲劳并断裂。这通常是由于设计载荷过大、材料疲劳强度不足或润滑不良等原因造成的。
• 齿面接触疲劳点蚀：齿面在长时间接触和相对滑动下，由于摩擦和应力集中点蚀。这会影响齿轮的啮合精度和传动效率，严重时会导致齿轮失效。
• 齿面磨损（胶合）：当两个齿轮的齿面在高速、重载或润滑不良的条件下相互接触时，齿面材料可能会因摩擦生热而熔化并粘合在一起，随后在相对运动中撕裂，造成齿面磨损，甚至整个齿面被撕下。
• 行星齿轮中部断齿（TIFF）：下了下，TIFF是"Through Intermediate Face Fracture"的缩写，指的是行星齿轮在中部存在缺陷、应力集中或设计不合理等原因导致的断裂。
• 高载荷下齿坯分裂（Splitting）：在高载荷作用下，齿轮的基体（齿坯）可能会因为无法承受过大的应力而裂开。这通常与材料强度不足、结构设计不合理或制造缺陷有关。

图片来源：SMT

---

3.2 失效原因

行星齿轮典型的失效原因主要有以下几点：

均载不好。行星轮系统中有多个行星轮同时工作，如果它们之间的载荷分配不均匀，就会导致某些行星轮承受过大的载荷而提前失效。这通常与制造和装配的精度有关，比如行星轮和行星架的配合间隙、浮动补偿机构的设计等。

齿宽方向偏载。指的是在齿轮的齿宽方向上，如果载荷分布不均匀，即偏向一侧，也会导致齿轮的局部磨损加剧，甚至断裂。这同样与制造和装配的精度有关，还可能与整个轴承的磨损、轴的弯曲等。

润滑不良。主要指向的是在高速运转时，如果润滑不足或润滑油质量不佳，会导致齿轮之间的摩擦增大，产生大量热量，从而加速齿轮的磨损和失效。特别是在高速行星轮系统中，由于转速快、载荷大，润滑问题更加突出。

行星齿轮双面受载。在某些情况下，行星齿轮可能会同时受到来自两个方向的载荷作用，这会增加齿轮的应力水平，加速其磨损和失效。

齿轮轮缘厚度不够。齿轮的轮缘是承受载荷的主要部分，如果其厚度设计不足，就无法承受预期的载荷，容易发生断裂或变形。这也解释了，为什么我们需要根据实际工况和载荷条件进行合理设计？

总结下：行星轮齿轮的失效原因多种，但主要可以归结为制造装配精度、润滑条件、载荷分布以及设计合理性等方面的问题。为了延长行星轮齿轮的使用寿命，需要在这多个方面进行严格控制和优化。

---

04

行星轮轴承的失效分析

4.1 失效模式

行星轮里常常会用到一种叫做滚针轴承的部件。滚针轴承就像是一排排小针，它们帮助行星轮顺畅地旋转。但是，这些小针和它们周围的部件（比如保持架）有时候会出现问题，导致轴承不能正常工作。

滚针表面疲劳点蚀或严重磨损：想象一下，如果你一直用小石头在硬地上磨来磨去，石头表面就会慢慢出现小坑或者变得光滑。滚针轴承的滚针也是这样，长时间的使用和摩擦会让它们的表面出现小坑（点蚀）或者磨损得很厉害，这样就不能再很好地支撑行星轮转动了。

保持架或/和滚针变形或断裂：保持架是用来固定滚针，让它们保持一定位置和间距的部件。但是，如果受到过大的力或者长时间的使用，保持架可能会变形，滚针也可能会断裂或者变形。这些问题都会影响到行星轮的正常工作，甚至可能导致整个传动系统出现故障。

图片来源：SMT

那么，造成上述失效的原因有哪些呢?

---

4.2 失效原因

行星轮中滚针轴承失效的几个主要原因：

1. 滚针轴承实际接触应力峰值高

具体指滚针在与其他部件接触时，受到的力非常大，超过了它所能承受的范围。主要来源于：

• 不均载的贡献：行星轮系统中有多个滚针同时工作，如果它们之间的载荷分配不均匀，就会导致某些滚针承受过大的载荷，从而更容易失效。

• 偏载的贡献：除了载荷分配不均外，如果载荷还偏向一侧，即偏载，那么这一侧的滚针就会受到更大的力，也更容易失效。

图片来源：SMT

2. 发热/润滑状态不好

滚针轴承在工作时会产生热量，如果润滑不良，就会导致摩擦增加，进而产生更多的热量。这不仅会加速轴承的磨损，还可能导致轴承过热而失效。主要是因为：

• 空间紧凑，滚子偏移导致摩擦增加：行星轮系统的空间往往比较紧凑，这可能导致滚针在安装或使用过程中发生偏移，进而增加与其他部件的摩擦。摩擦增加会加速磨损，缩短轴承的寿命。

• 润滑油的冷却效果：润滑油除了起到润滑作用外，还应该具有一定的冷却功能，帮助降低轴承的温度。

• 接触应力过大：根据热力学公式，接触应力过大同样会造成发热严重的现象。

图片来源：SMT

---

05

均载特性的分析

5.1 为什么要均载？

我们知道：行星轮系统可以通过增加行星齿轮的数量来增强了整体的承载能力。但是，这也带来了一个挑战：随着行星齿轮数量的增多，如何确保每个齿轮都均匀分担载荷变得越来越困难。特别是在电动驱动系统中，行星轮结构往往设计得非常紧凑，并且要承受很高的扭矩，这会导致齿轮和轴承等部件更容易出现失效。因此，提高行星轮之间的均载能力成为了关键，从而影响整个系统的使用寿命！

---

---

06

NVH特性的分析

下面我们看看电驱动行星轮系统面临的NVH问题难点。

电动汽车里的电驱动行星轮系统，因为转速非常快，会产生很多不同频率的振动和噪音。这些振动和噪音来自多个地方，比如太阳轮和行星轮的啮合、行星轮和齿圈的啮合，而且如果产生的频率还相同，这会让问题变得更复杂。这就好像有很多人在同一个房间里同时说话一样，那就会很难分辨谁在说什么，声音也会变得嘈杂。

同样地，在行星轮系统里，多个行星轮同时工作，它们的振动和噪音也会叠加在一起，形成更强的振动和噪音。更麻烦的是，随着行星架的旋转，这些振动和噪音还会发生变化，产生所谓的"边频"，就像音乐中的和弦变化一样，但在这里是不希望出现的。

此外，行星轮系统还存在其他多种激励和响应，比如传递误差、穿梭力（Shuttling force）等，这些都会进一步加剧NVH问题。下面，我们针对这一系列的特征问题展开说明。

---

6.1 不同相位对NVH的影响

（知识星球发布)

6.1.1 同相位拓扑

在行星轮系中，如果有4个行星轮，并且它们都处于相同的相位（通俗点说，它们的位置和旋转方向相对于太阳轮和齿圈是完全一致的），此时...

图片来源：SMT

6.1.2  顺序相位

那么，如果4个行星轮顺序相位排列，并且只考虑它们产生的切向力分量时，动态力如何相互作用呢？...

图片来源：SMT

6.1.3  反相位

当4个行星轮处于反向相位时，它们对车辆NVH的影响又是怎样的呢？...

图片来源：SMT

---

6.2 行星轮激励 - Shuttling Force

先解释下什么是Shuttling Force?

一对齿轮，如果它们接触面上的力量分布不均匀，就会产生一个额外的力矩，这个力矩会让齿轮有翻倒的趋势，我们称之为“倾覆力矩”。这个倾覆力矩并不是固定不变的，它会随着齿轮的转动而不断变化，这种不断变化的倾覆力矩就被称为"Shuttling Force"(穿梭力)。

在驱动系统的行星轮系中，情况更加复杂...

图片来源：SMT

Shuttling Force≠TE

Shuttling Force和TE都是齿轮系统它们会作为激励源，影响系统的NVH性能...

图片来源：SMT

---

6.3 行星轮边频

6.3.1 什么是边频？

在行星轮系中，行星架会随着输入轴的旋转而一起转动，行星轮与太阳轮和齿圈之间的啮合位置会不断改变。这种位置的改变会导致两个主要现象：...

图片来源：SMT

EVH原创文章

1.吉利最新多合一电驱发展趋势及关键技术 2.舍弗勒全新电驱集成方案一览

3.电动化关键技术进展：从动力域集成到功率半导体

4.蜂巢易创800V碳化硅电驱技术发展与布局

5.蔚来电驱动开发集成化思路的探讨

扫描二维码｜关注我们 ●  电动车千人会  ●

扫码关注智能汽车 ●  EVH1000智能汽车  ●

欢迎加入新能源汽车产业交流群  

关注公众号后台回复关键词“社群”

即可获取入群方式

【免责声明】文章为作者独立观点，不代表电动车千人会立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系电动车千人会进行删除或洽谈版权使用事宜