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摘要：在当前节能环保理念的影响下，新型的电动汽车应运而生。其特点是不使用传统燃油，减少对环境的污染；利用新型驱动方式减少高耗能现象，属于新型能源汽车类型。轮边驱动系统就是电动汽车的独有的新型驱动方式，其传动的效率直接关系到整车的传动效率。研究轮边驱动系统的效率主要在于分析其齿轮箱的效率。基于此，笔者重点探讨了电动汽车轮边驱动系统齿轮箱总效率，以供同行参考。
关键词：电动汽车；轮边驱动系统；齿轮箱；效率分析
一、新能源汽车轮边驱动系统概述
新能源汽车主要运用蓄电池、燃料电池及超级电容来代替传统的内燃机汽车动力源，因此其具备区别于传统燃油汽车的驱动系统。新能源汽车特有的驱动形式是轮边驱动系统，其能够直接将电机安装在车轮的轮毂中，不仅可以对离合器、变速器、主减速器及差速器等传动部件的省略，而且优化了整车结构，提高了传动的效率，同时还可以对车轮运用电子控制及进行电子差速控制。依据驱动方式，可以将其划分为直接驱动式和减速驱动式两种。
（一）直接驱动式轮边驱动系统
直接驱动式的轮边驱动系统主要运用低速外转子电机驱动，无需设置齿轮减速装置，只需在车轮轮毂上直接安全电机外转子，电机转速等同于车轮转速，电动机转速的控制直接决定车速的控制。该类型电驱动方式传动效率较高，结构简便，无需设置齿轮减速装置。但是当其车轮的体积及质量相对较大时，技术要求较高，经济成本也较高。同时因电机和车轮整合为一个整体，导致整车的非簧载的质量有所增加，降低了驾驶的舒适程度。
（二）减速驱动式轮边驱动系统
减速驱动式的轮边驱动级系统主要包含了高速电机、齿轮减速装置及车轮等，当前主要使用的是行星齿轮减速器作为其齿轮减速装置。该类型的减速器能够实现同轴减速，具有传动比大，体积小等优点，但其非簧载质量过大的缺点并没有得到改善。与之相比，单摆臂悬架式减速装置在减速的同时可将部分非簧载质量等效成簧载质量，提高了汽车行驶过程中的舒适度，是更加理想的减速装置。
本文所研究的轮边驱动系统中的齿轮箱就是以单臂悬架式减速装置为基础。该型齿轮箱具有外壳扁平，结构紧凑等特点。内部采用二级斜齿轮传动，润滑方式为搅油润滑。
二、齿轮箱功率损失的计算
（一）搅油功率损失
齿轮箱的搅油功率损失主要来源于润滑油与齿轮箱内部元件的摩擦损耗。搅油损失的影响因素主要包括润滑油粘度、输入转速、工作温度、齿轮螺旋角和齿轮的浸油深度。本文使用英国标准（AGMA IS014179-1）给出适用于高转速下的搅油损失计算公式。搅油损失包括3部分：与光轴外径有关的搅油损失；与盘光面有关的搅油损失；与齿面有关的搅油损失。搅油损失的总功率Pc的计算公式如下：
（公式1）
在上述公式中，代表齿轮的浸没因子，代表运动的粘度，cSt；代表元件的工作转速，r/min；D0代表元件的外部直径，mm；L代表元件的长度，mm；Ag代表配置的常数；B代表齿轮的宽度，mm；Rf代表粗糙度的因子；代表斜齿轮的轮螺旋角，如果<10°的时候，应取为10°进行计算。
（二）风阻功率损失
风阻的损失主要是小齿轮和大齿轮在齿轮箱的油气空间中进行旋转而产生的能量损失。通过计算风阻损失能够确保更加精确地求得齿轮箱的总效率。
Anderson和Loewenthal分别给出了计算风阻损失的主要计算方法。该计算方法综合齿轮箱内的油气混合物的动力粘度，计算公式如下：
（公式2）
Pw代表风阻损失功率，kW；B代表齿轮的宽度，m；r代表齿轮的分度圆半径，m；n代表齿轮的转速，r/min；μ代表齿轮箱的内油气混合物的动力粘度，cP。
（三）斜齿轮啮合的平均效率
运用积分法得出斜齿啮合传动的平均效率公式如下：
（公式3）
在上述公式中，K代表，B的系数；R1代表关于，，z1，，B的函数；R2代表，，，B的函数。纵上所述，斜齿轮的啮合效率和主动轮齿数z1，从动轮齿数z2，传动比i，螺旋角，法面模数Mn，齿宽B，法面压力角，法面齿顶高系数和摩擦系数等相关参数有关。
（四）轴承功率损失
轴承的效率基本上都是通过实验测得，通常在润滑条件较好的状况下，滚动轴承的效率值大约为0.980-0.995；滑动轴承的效率值大约为0.970-0.990。所以通常将轴承的效率取值为0.990。
三、轮边驱动齿轮箱总效率
由以上分析可知，齿轮的啮合损失与轴承损失相互串联，搅油损失与风阻损失相互并联。因此，可以得出齿轮箱的总效率计算公式如下：
（公式4）
在该公式中，代表的是齿轮箱的总效率，代表的是轴承的效率；代表的是啮合的效率；代表的是主动轮搅油及风阻的效率；代表的是从动轮的搅油及风阻的效率；代表齿轮箱内部轴承的数量；b代表齿轮箱级数。在（公式4）中，啮合的效率可以通过（公式3）求得，轴承的效率的值也已经确定。而齿轮的搅油及风阻的效率可以通过以下公式进行计算。
（公式5）
其中代表单个齿轮的输入功率，代表搅油的功率损失，代表的是风阻的功率损失。
四、轮边驱动系统齿轮箱总效率分析
（一）轮边驱动系统齿轮箱工况参数设定
齿轮箱的总效率不仅与其设计参数有关，也与其的工作环境条件相关。在齿轮箱尺寸确定的前提下，其总效率主要与输入功率P，输入转速n，润滑油的运动粘度v，润滑油的浸没齿高倍数k，齿面间滑动摩擦系数和齿轮箱内油气混合物动力粘度μ等因素有关。输入功率和输入转速取定值P=10kW，n=10000 r/min。齒轮箱内油气混合物动力粘度对效率影响不明显，取定值μ= 0.1cP。本文主要选取齿轮箱的总效率作为主要的影响参数。润滑油运动粘度v，润滑油浸没齿高倍数k，齿面间滑动摩擦系数为变量。其中，v的定值为60，变化区间为30-120，k的定值为0.8，变化区间为0.5-1.2，的定值为0.06，变化 区间为0.04-0.10。
（二）齿轮箱工况参数对总效率的影响分析
文章运用Matlab软件将试样齿轮箱在不同的工作环境参数条件小的效率变化曲线等进行绘制，得出了运动粘度、高速大齿轮齿高倍数、摩擦系统和总效率的关系如下：当位于给定的变化区间范围内，轮边驱动系统的齿轮箱的总效率分别随着润滑油的运动粘度和润滑油的浸没高速大齿轮的齿高倍数的增加而不断下降，齿轮箱的总效率随着齿面间的滑动摩擦系数的增加也逐步下降。
由上可知，影响齿轮箱总效率的主要因素是高速级齿轮的效率，低速级的齿轮效率随着摩擦系数的增加而显著变化，低速级的齿轮的啮合损失在总损失中占据的比重较大。运动粘度也显著的影响到齿轮箱的总效率，和低速级的齿轮比较，同等条件下，高速级的齿轮的效率值相对较低，损失的功率更多。当工作环境的参数恒定时，经计算可以得到电动车轮边驱
关键词：电动汽车；轮边驱动系统；齿轮箱；效率分析
一、新能源汽车轮边驱动系统概述
新能源汽车主要运用蓄电池、燃料电池及超级电容来代替传统的内燃机汽车动力源，因此其具备区别于传统燃油汽车的驱动系统。新能源汽车特有的驱动形式是轮边驱动系统，其能够直接将电机安装在车轮的轮毂中，不仅可以对离合器、变速器、主减速器及差速器等传动部件的省略，而且优化了整车结构，提高了传动的效率，同时还可以对车轮运用电子控制及进行电子差速控制。依据驱动方式，可以将其划分为直接驱动式和减速驱动式两种。
（一）直接驱动式轮边驱动系统
直接驱动式的轮边驱动系统主要运用低速外转子电机驱动，无需设置齿轮减速装置，只需在车轮轮毂上直接安全电机外转子，电机转速等同于车轮转速，电动机转速的控制直接决定车速的控制。该类型电驱动方式传动效率较高，结构简便，无需设置齿轮减速装置。但是当其车轮的体积及质量相对较大时，技术要求较高，经济成本也较高。同时因电机和车轮整合为一个整体，导致整车的非簧载的质量有所增加，降低了驾驶的舒适程度。
（二）减速驱动式轮边驱动系统
减速驱动式的轮边驱动级系统主要包含了高速电机、齿轮减速装置及车轮等，当前主要使用的是行星齿轮减速器作为其齿轮减速装置。该类型的减速器能够实现同轴减速，具有传动比大，体积小等优点，但其非簧载质量过大的缺点并没有得到改善。与之相比，单摆臂悬架式减速装置在减速的同时可将部分非簧载质量等效成簧载质量，提高了汽车行驶过程中的舒适度，是更加理想的减速装置。
本文所研究的轮边驱动系统中的齿轮箱就是以单臂悬架式减速装置为基础。该型齿轮箱具有外壳扁平，结构紧凑等特点。内部采用二级斜齿轮传动，润滑方式为搅油润滑。
二、齿轮箱功率损失的计算
（一）搅油功率损失
齿轮箱的搅油功率损失主要来源于润滑油与齿轮箱内部元件的摩擦损耗。搅油损失的影响因素主要包括润滑油粘度、输入转速、工作温度、齿轮螺旋角和齿轮的浸油深度。本文使用英国标准（AGMA IS014179-1）给出适用于高转速下的搅油损失计算公式。搅油损失包括3部分：与光轴外径有关的搅油损失；与盘光面有关的搅油损失；与齿面有关的搅油损失。搅油损失的总功率Pc的计算公式如下：
（公式1）
在上述公式中，代表齿轮的浸没因子，代表运动的粘度，cSt；代表元件的工作转速，r/min；D0代表元件的外部直径，mm；L代表元件的长度，mm；Ag代表配置的常数；B代表齿轮的宽度，mm；Rf代表粗糙度的因子；代表斜齿轮的轮螺旋角，如果<10°的时候，应取为10°进行计算。
（二）风阻功率损失
风阻的损失主要是小齿轮和大齿轮在齿轮箱的油气空间中进行旋转而产生的能量损失。通过计算风阻损失能够确保更加精确地求得齿轮箱的总效率。
Anderson和Loewenthal分别给出了计算风阻损失的主要计算方法。该计算方法综合齿轮箱内的油气混合物的动力粘度，计算公式如下：
（公式2）
Pw代表风阻损失功率，kW；B代表齿轮的宽度，m；r代表齿轮的分度圆半径，m；n代表齿轮的转速，r/min；μ代表齿轮箱的内油气混合物的动力粘度，cP。
（三）斜齿轮啮合的平均效率
运用积分法得出斜齿啮合传动的平均效率公式如下：
（公式3）
在上述公式中，K代表，B的系数；R1代表关于，，z1，，B的函数；R2代表，，，B的函数。纵上所述，斜齿轮的啮合效率和主动轮齿数z1，从动轮齿数z2，传动比i，螺旋角，法面模数Mn，齿宽B，法面压力角，法面齿顶高系数和摩擦系数等相关参数有关。
（四）轴承功率损失
轴承的效率基本上都是通过实验测得，通常在润滑条件较好的状况下，滚动轴承的效率值大约为0.980-0.995；滑动轴承的效率值大约为0.970-0.990。所以通常将轴承的效率取值为0.990。
三、轮边驱动齿轮箱总效率
由以上分析可知，齿轮的啮合损失与轴承损失相互串联，搅油损失与风阻损失相互并联。因此，可以得出齿轮箱的总效率计算公式如下：
（公式4）
在该公式中，代表的是齿轮箱的总效率，代表的是轴承的效率；代表的是啮合的效率；代表的是主动轮搅油及风阻的效率；代表的是从动轮的搅油及风阻的效率；代表齿轮箱内部轴承的数量；b代表齿轮箱级数。在（公式4）中，啮合的效率可以通过（公式3）求得，轴承的效率的值也已经确定。而齿轮的搅油及风阻的效率可以通过以下公式进行计算。
（公式5）
其中代表单个齿轮的输入功率，代表搅油的功率损失，代表的是风阻的功率损失。
四、轮边驱动系统齿轮箱总效率分析
（一）轮边驱动系统齿轮箱工况参数设定
齿轮箱的总效率不仅与其设计参数有关，也与其的工作环境条件相关。在齿轮箱尺寸确定的前提下，其总效率主要与输入功率P，输入转速n，润滑油的运动粘度v，润滑油的浸没齿高倍数k，齿面间滑动摩擦系数和齿轮箱内油气混合物动力粘度μ等因素有关。输入功率和输入转速取定值P=10kW，n=10000 r/min。齒轮箱内油气混合物动力粘度对效率影响不明显，取定值μ= 0.1cP。本文主要选取齿轮箱的总效率作为主要的影响参数。润滑油运动粘度v，润滑油浸没齿高倍数k，齿面间滑动摩擦系数为变量。其中，v的定值为60，变化区间为30-120，k的定值为0.8，变化区间为0.5-1.2，的定值为0.06，变化 区间为0.04-0.10。
（二）齿轮箱工况参数对总效率的影响分析
文章运用Matlab软件将试样齿轮箱在不同的工作环境参数条件小的效率变化曲线等进行绘制，得出了运动粘度、高速大齿轮齿高倍数、摩擦系统和总效率的关系如下：当位于给定的变化区间范围内，轮边驱动系统的齿轮箱的总效率分别随着润滑油的运动粘度和润滑油的浸没高速大齿轮的齿高倍数的增加而不断下降，齿轮箱的总效率随着齿面间的滑动摩擦系数的增加也逐步下降。
由上可知，影响齿轮箱总效率的主要因素是高速级齿轮的效率，低速级的齿轮效率随着摩擦系数的增加而显著变化，低速级的齿轮的啮合损失在总损失中占据的比重较大。运动粘度也显著的影响到齿轮箱的总效率，和低速级的齿轮比较，同等条件下，高速级的齿轮的效率值相对较低，损失的功率更多。当工作环境的参数恒定时，经计算可以得到电动车轮边驱