4.1、减速器概述
请横屏观看。图示为后驱双联行星排与差速器集成式总成。
I-PACE的EDU二合一集成由AAM提供,属于动力输入输出同轴式布置。前后驱共用,前驱减速器相对后驱,仅在行星架与差壳的集成体上零件形状有改变,用于安装驻车齿轮,同时增加了一套电子驻车系统和机械式驻车应急解锁拉线。
减速器属于双联行星排与锥齿轮差速器集成式设计,即行星架与差速器壳体整体压铸成型,结构紧凑,三个行星轮,为塔轮式行星轮轴,太阳轮固定安装在电机轴上。
整个EDU动力输入、输出轴系统为三轴承支撑,电机轴上有两深沟球支撑,双联行星排后端有一个锥轴承支撑,电机轴与行星架之间有一滚针轴承相互支撑。
4.2、轴齿运动件
减速器部分的轴齿结构为双联行星排,并集成了锥齿轮差速器,行星架与差壳集成式设计,前后驱减速器的行星架与差壳集成体稍有不同,如图中所示,前驱减速器的行星架上多出了一部分,用于驻车齿轮的安装固定。
驻车齿轮通过花键安装限位在行星架与差壳的集成体上,齿侧定心,完全依靠花键过盈实现轴向限位和径向传扭,由于驻车齿轮布置在差速器端,承载扭矩较大,好在驻车齿轮的直径够大,但是驻车齿轮的最大受力还是比较大,内花键进行局部高频淬火处理,提高承载力。
内齿圈通过一半花键、一半孔轴配合固定在减速器壳体上,并通过大卡环实现轴向限位,减速器壳体上的内花键并非全花键,为部分花键。该减速器中通过光轴与壳体内孔配合,实现内齿圈精确定位。
双联行星排及差速器总成整个减速机构中,后端是锥轴承在减速器壳体上支撑,前端是滚针轴承在电机轴上支撑,滚针轴承位置处在旋转中心且远离壳体壁,高转速工况下,需要重点考虑润滑。
前驱减速器的双联行星排及差速器集成Y向尺寸mm,后驱Y向尺寸mm,X向/Z向尺寸mm,可以看出结构非常紧凑。
太阳轮通过花键固定在电机轴上,一端与电机前球轴承接触,另一端通过卡环限位在电机轴上。
双联行星轮轴上有一大一小两行星轮,又名塔轮,三个大的行星轮端部均有平衡孔,降低行星轮轴旋转的动不平衡。
电机前轴承为开式深沟球轴承,与太阳轮一起深入到减速器腔体内,利用减速器内的润滑油,实现油润滑,球轴承的另一端安装有油封,用于电机腔体与减速器腔体的密封。
虽然减速器的动力输入齿轮(太阳轮)直接安装到电机轴上,但太阳轮并未呈现出悬臂支撑的状态,电机轴的头部端和差壳相互之间有滚针轴承支撑,即通过四个轴承同时实现电机轴的三轴承支撑,以及减速器结构(行星排与差速器集成式总成)的双轴承支撑。其中,行星排的前支撑滚针轴承需要精确安装和运转,难度较高,对整个轴齿的支撑刚度有一定的挑战,容易引发NVH问题,加上本身双联行星排的齿轮啮合副就多,因此该EDU的NVH问题对AAM来说有一定的难度,从市场表现力和获奖来看,该车的表现起码是获得了欧洲人的认可。
目测太阳轮的螺旋角较大,轮齿端面未倒棱。
AAM为I-PACE设计的减速器用油规格型号是BOTM3,前后驱用量分别是1.6L和1.5L,由于设计有蓄油池,正常整车姿态下,真正起作用的油量比加油量少很多。
AAM推荐的I-PACE减速器用油的保养周期是2年或km。在第5次保养时需要更换电驱系统的冷却液。
行星轮轴上集成了双联行星轮与行星轮轴,属于整体锻造成型之后机加齿轮齿形,双联行星轮又名塔轮,使用在行星排中,可以进一步放大行星排的速比,使得单行星排即可满足常见减速器的速比要求,并且径向尺寸可以十分紧凑。
从结构上看,双联行星轮轴中与太阳轮啮合的行星轮为悬臂支撑齿轮,齿轮支撑刚度有挑战,容易引起NVH和轴承寿命问题。
行星架与差壳集成体外部有平衡孔,对于EV减速器来说,必要时需要进行动平衡处理,降低整车动力总成的振动噪声。
AAM为I-PACE减速器设计的差速器属于常用的锥齿轮差速器,一字轴通过定位销固定在行星排与差壳的集成体上,巧妙的利用了行星架中间内部的空间安装差速器的行星轮、一字轴和半轴轮,且实现了双联行星轮轴的两端支撑,简单巧妙。
双联行星轮轴通过球+柱的双轴承组合,支撑固定在行星架和差壳集成体上。
前轴承为深沟球轴承,厂家KOYO,产地日本,外径72mm,内圈通过卡环固定限位在行星轮轴上,后轴承为滚针轴承,厂家KOYO,外径32mm,浮动安装。
由于双联行星轮的旋向相同,可以抵消一部分轴向力,剩余轴向力均有前支撑轴承(深沟球轴承承载)。
差速器部分属于常见的开放式锥齿轮差速器,包含前面提到的集成了行星架功能的差壳,两个半轴轮及半轴轮垫片,两个行星轮,及行星轮垫片,一根一字轴,一根一字轴定位销,一个波形弹簧。
AAM作为豪华汽车驱动桥的世界知名企业,对差速器可能有自己独特的理解,为I-PACE的差速器增加了波形弹簧,用于半轴轮与行星轮的啮合间隙调整。开式锥齿轮差速器中,如半轴轮与行星轮啮合间隙小了,差速工况下容易烧蚀,进而产生更大的差速器故障,如间隙过大,对于失去发动机及进排气系统背景音掩蔽效应的EV车型,差速器可能会出现异响等NVH问题。
波形弹簧从外径上看,配合安装位置可能是半轴轮的花键端面。
两个半轴轮的内花键孔均有卡环槽,与传统车的设计一样,插入差速器的半轴带有卡环,防止半轴脱出,半轴轮垫片为平垫片;行星轮端面为球面,垫片为球垫片,球垫片内孔有翻边,防止安装旋转过程中行星轮垫片从行星轮脱落。
一字轴属于常见结构,与行星轮配合面进行平面铣削,使得一字轴与行星轮之间能储存一定量的润滑油,减小二者之间的烧蚀风险,铣削平面为非受载面。
在一字轴垂直铣削平面的一端,有定位销的安装孔。
4.3、驻车系统
AAM设计的EDU二合一减速器中的驻车系统属于选配,对于四驱车型的I-PACE,前驱带有电子驻车系统,后驱不带。
I-PACE触发驻车动作的车速设定为3km/h,即车速大于3时,电子驻车执行系统不会执行驾驶员驻车锁止命令,小于3时,会执行锁止命令,因此可以判断该驻车系统的挂入车速小于3km/h。
I-PACE减速器的机械驻车系统属于对滚轮+棘爪类型,外部的电子驻车执行系统属于螺纹副运动机构。
从非P挂入P挡时,电子驻车执行系统通过螺旋副结构将直流电机的旋转运动转化为直线往复运动,执行系统的拨头推动滚轮总成做直线运动挤压棘爪头部,实现棘爪绕棘爪轴的摆动动作,最后达到棘爪锁止驻车齿轮的目的,实现驻车动作。
从P到非P解锁时,电子驻车执行系统拨头反向推动滚动总成,释放棘爪实现驻车解锁动作。
滚轮总成包含一对圆柱滚轮、支撑框架和限位槽,对滚轮分别与驻车挡板和棘爪头部接触,采用对滚轮的方式,可以将P挡驻车解锁时的解锁力通过滚动摩擦的方式降低,因为滚动摩擦的系数约为0.01,远小于滑动摩擦系数。
滚轮总成的支撑框架为铆接+点焊工艺,适合大批量生产。滚轮总成的框架上带有应急解锁推块,应急情况下,手动掰动手柄解锁时,驻车轴推臂带动推块运动,实现驻车解锁。
同时滚轮总成上有一个限位槽,与减速器壳体上的螺钉配合,使得滚动总成只能往复直线运动。
电子驻车执行器属于集成式设计,内部包括12V直流小电机,齿轮减速结构,螺纹副减速结构,直线运动拨头,驻车大弹簧,密封圈,定位环和壳体。其控制器单独布置在车上其他位置。
电子驻车执行系统内的螺旋副机构还有大弹簧,满足车辆非禁止工况下接收到驻车指令后(车速≤3km/h),驻车执行器动作后,拨头推动滚轮总成开始运动,由于车速此时大于0,车辆继续滑行,棘爪处于从驻车齿轮中卡入和弹出的重复动作,滚轮总成也处于P与非P反复切换的直线运动中,最后直至满足驻车棘爪挂入驻车齿轮的车速后,车辆瞬间停止,驻车动作完成。同时满足棘爪卡在驻车齿轮齿顶时,系统仍然保持有驻车锁止的功能。
电子驻车执行系统通过俩对角定位环定位安装在减速器壳体上,二者之间有密封圈密封,四颗螺栓固定。
棘爪头部安装有棘爪回位板簧,实现非P挡位状态时的棘爪支撑,防止棘爪下落与驻车齿轮运动干涉,同时实现P挡解锁时,棘爪回位到非P位置。
AAM为I-PACE设计的电驱系统带有机械式应急解锁机构,防止电子驻车系统失效,车辆无法移动,机械冗余设计。具体原理为,当车辆需要应急解锁时,手动掰动解锁手柄,手柄通过机械拉线连接驻车轴摆臂,摆臂旋转,带动滚动总成上的推块,实现滚动总成的直线运动,达到驻车解锁的目的。
应急解锁手柄安装在前机舱,位置如图所示。应急解锁拉线固定在减速器壳体上的位置点为软连接。
4.4、壳体及其他附件
I-PACE前后减速器的主体壳体只有外壳体一部分,与电机端面形成封闭腔,构成整个减速器腔体,减速器轴齿的前端支撑依靠电机轴,后端支撑依靠外壳体。
减速器壳体安装内齿圈的位置开有多个卡环拆装凹槽,用于拆装内齿圈卡环时,保证工具的操作空间。
减速器壳体的工艺材料与电机壳一样,低压浇铸工艺,壳体内部有螺旋状水道,进一步降低减速器温度,外部砂芯出孔堵盖封堵,壳体内部还有直通式油道,用于电机侧半轴支撑轴承的润滑。
减速器双联行星排与差速器集成体的后支撑轴承为圆锥滚子轴承,轴承内圈与行星架/差壳的集成体通过卡环固定限位,外圈通过锥轴承挡板固定在壳体上。
减速器壳体上安装锥轴承的轴承孔处,有铸造成型的进油槽,该油槽连通轴承座外部的三个导油孔,通过飞溅润滑,使得润滑油进入锥轴承内,润滑轴承和半轴油封。
在锥轴承外部安装有一个半轴油封,半轴油封厂家为CFW,产地匈牙利,外径约为φ85mm。
减速器侧的半轴属于短半轴,电机侧的半轴属于长半轴,长半轴与差速器的连接端为外花键,带防脱卡环,与车轮连接端为内花键。
I-PACE减速器的通气塞系统安装在侧面,由一根金属通气管、一根橡胶弯管和通气塞组成,通气塞厂家为知名品牌戈尔,橡胶弯管的作用是使得通气塞布置姿态垂直地面,同时增加油气冷凝回路。
参考资料:
1、A2mac1;
2、技术公报,捷豹I-PACE纯电动汽,年第一期。