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新能源电驱壳体设计和发展趋势
2021-12-02 09:21:40· 来源：驱动视界
1、概述随着全球市场环保意识及排放法规要求的提高，新能源汽车（BEV、HEV、PHEV、REEV、FECV）顺势而生且已是当下及未来的发展趋势。目前BEV和PHEV已经得到了充
1、概述
随着全球市场环保意识及排放法规要求的提高，新能源汽车（BEV、HEV、PHEV、REEV、FECV）顺势而生且已是当下及未来的发展趋势。
目前BEV和PHEV已经得到了充分的发展和应用。而当下限制新能源汽车发展中的最大瓶颈为电池技术的发展、配电基础设施的发展、政策支持、交通需求的发展变化。
除此之外针对新能源汽车更加强调互联网化、智能化、共享化、电气化、动力性、低电耗等功能。
对此各主机厂在电驱桥开发中针对动力性分析及NVH的分析评价越来越严苛。
在电驱动总成中，轴齿、壳体占比较高，例如，变速箱壳体是变速箱上的一个关键零部件，它将减速器中的功能件(如：轴齿、驻车、换挡等有关零件组装成一个整体, 并保持相互之间的正确位置, 按照一定的传动关系协调地传递动力。
壳体的外形需具有艺术美感，多采用弧筋，在保证整体刚度、强度的前提下，对其进行设计美感优化。
1.1电驱桥的集成化发展趋势
电驱动系统集成化发展已有时日，从分体式驱动单元、到简单的物理集成、再到多合一智能化集成和标准化平台发展。
目前来看，行业处于物理集成向智能化集成过渡阶段。
电动汽车发展初期，不少车型电驱系统集成比较简单，电驱系统尺寸、重量、功率密度都不理想。
这样背景下，高度集成一体化电驱系统呼之欲出。
目前比较主流的做法是将电机、控制器和减速器深度集成，形成“三合一”电驱系统。
电机、控制器和减速器可以共用部分壳体，减少传动部件。这样做的好处：减轻系统重量、缩减系统尺寸，有效提升电驱系统功率密度。
零部件数量减少后，系统整体耐用度大大提高，系统NVH值得到有效控制，降低了制造成本，也更有利于企业进行组装生产。
1.2 电驱桥集成化存在的障碍
目前“三合一”电驱动总成成为车企选配的主流方案，且国内企业在量上可能取得领先。尽管如此，国内企业在高集成化的电驱系统上仍有许多关键技术需要突破。
首先是系统如何散热的问题。由于集成程度大大提高，原有的部件结构发生很大的改变，传统水冷系统作用将大打折扣，这需要对系统水冷系统进行重新设计。需要使用难度更高的双面水冷技术，或者油冷技术。但双面水冷、油冷，都有很高技术壁垒，还需要企业去进一步攻关。
其次，是如何突破耐受高电压和大电流的高功率半导体器件技术问题。IGBT是实现双面水冷的关键，国内企业如比亚迪、中车集团也已经实现相关产品的量产，但在耐受性上仍与国外技术有着一定差别。同时随着对电驱动系统功率密度要求的提升，IGBT技术面临着自己的瓶颈，下一代碳化硅材料，或是其他具有更高耐受导体材料在国内仍需大规模产业化投入。
第三，减速器、高速轴承等传统机械集成问题，也将困扰国内企业。目前主流的单减速器方案，高速性能并不理想，电动汽车极限驾驶体验一般，将单档减速器进一步复杂化，添加扭矩更大的档位方案呼声日益强烈。但进一步复杂化减速器，意味着电动汽车将向着国外企业擅长变速箱、机械集成技术衍生。国内企业竞争压力将剧增。
2、电驱壳体的分类
新能源汽车电驱动总成主要由驱动电机、减速器、控制器、高压线束、悬置等零件组成，在电驱动技术发展的初期，驱动电机与减速器往往不是一个公司进行的设计开发。
例如OEM从A公司采购量产的驱动电机，从B公司采购量产的减速器，从C公司采购量产的控制模块，最后由OEM进行组装、测试。
所以采用了大量的螺栓进行联结，从而导致电驱桥中各分总成的联结变得冗余、复杂，由于是分散的、独立设计的，从而使得各个零件之间没有很好的设计衔接，往往会造成设计结构复杂、成本高、质量管理较为臃肿、高重量，导致最终的电驱桥方案并非最优。根据电驱桥壳体的发展，可以将壳体大致分为三代。
第一代电桥：分体式壳体，分体式壳体主要为驱动电机与减速器、控制电源均为单独的个体结构，各分总成通过螺栓进行联结。因国内新能源汽车正处于发展初期，各大OEM为降低开发风险、解决开发周期问题，通常采用各大主机厂已量产的产品，但此采购类型，成本均高于OEM预估价格，导致整车成本居高不下。当系统问题发生时，OEM无能力解决，只能依靠各零件公司进行解决，但往往质量和性能无法达到预期效果。
第二代电桥：集成式壳体，主要是驱动电机壳体与减速器壳体集成化，取消了高压线束、控制器支架、联结盘、驱动电机端盖、联结螺栓等零件。而这样可减少联接部件、成本降低、结构紧凑、重量降低，还能使电驱桥轴向长度进行缩短，提高了后续设计扩展性。
第三代电桥：一体集成式壳体，主要为驱动电机、减速器、控制器壳体为高度集成化，形成一个高度集成的电桥壳体，这样驱动电机的定转子、减速器、控制器就能尽可能的装入一个壳体内，在加上电器后端盖、减速器后端盖则形成了电桥的外包络，其中减少了大量的连接件。
分体式壳体布置-Tesla
A.第一代电驱桥——分体式壳体。
优势：1、铸造难度较低；
2、单件组装方便，利于检测；
3、结构设计简单、加工复杂性低、配性简单；
4、零件数量多。
劣势：1、体积大、重量高；
2、成本高、分总成装配复杂、效率低；
3、不利于整车的匹配与小型化。
集成式壳体布置-ZF
B.第二代电驱桥——集成式壳体。
优势：1、优化驱动电机与减速器联结螺栓跨距大问题，解决联结处的NVH问题；
2、轴向尺寸小、重量低、整体成本低；
3、零件数量少；
4、设计扩展性高；
5、采用摩擦焊接技术，降低结构复杂性。
劣势：1、铸造复杂性高、模具结构复杂；
2、要求加工设备的精度高、加工工艺编排复杂。
一体集成式壳体布置-GKN
C.第三代电驱桥——一体集成式壳体。
优势：1、结构紧凑、NVH优；
2、较集成式壳体，轴向尺寸更小、重量更低、整体成本更低；
3、零件数量少；
4、设计扩展性高；
5、采用摩擦焊接技术，降低结构复杂性。
劣势：1、较集成式壳体，铸造复杂性更高、模具结构更复杂；
2、较集成式壳体，要求加工设备的精度高、加工工艺编排复杂。
3、电驱壳体重要结构特征的设计
3.1设计原则：
1）吸收工作时的作用力和力矩；
2 ）在各种工作状态下，保证轴和齿轮具有精确的相对位置；
3 ）保证良好的传热和热辐射；
4 ）隔离和衰减噪声；
5 ）装配和拆卸容易；
6 ）良好的刚性、强度特性，重量轻。
下面就壳体设计的几个典型部位进行探讨。
的装入一个壳体内，在加上电器后端盖、减速器后端盖则形成了电桥
3.2壳体重要结构特征的设计
3.2.1壳体壁厚、加强筋
壳体是电驱系统重量占比最大的，壳体的设计在满足强度的前提下应尽量轻。
现在铝合金的压铸壳体一般可做到3.3～4mm。
轴承是减速器的主要受力部位，所以轴承座的壁厚需要6～8mm，其他螺栓凸台需要根据输入的螺栓规格确定壁厚。
注：壁厚分析的内容有两项:
①检查厚壁位置，以降低壳体重量，减少铸造缺陷，进而降低制造成本;
②检查薄壁位置，避免壳体强度不足。
3.2.2拔模斜度检查
对压铸铝合金件，一般应保证出模方向的拔模斜度大于1.5°，特殊位置可以设计到0.8°～1°。拔模斜度检查的主要内容有两项:
①出模方向是否正确，
②拔模斜度是否足够。
3.2.3加强筋布置
加强筋功能是为了提高刚度和强度，降低辐射噪声；
设计原则：
加强筋的走向应沿着法向主应力的方向，这样才能加大支撑面来减少对铸件造成危险的拉应力。
3.2.4圆角设计
由于铝合金变速器壳体毛坯大多是是压铸成型的，壳体毛坯各个面之间均应采用圆角过渡，圆角过渡不但可以保证压铸时金属溶液具有良好的流动性，还可以避免尖角过渡所引起的应力集中，同时模具的各壁上的加强筋应从轴承孔开始向四周辐射，呈星形布置，加强筋的尺寸与壁厚有关，高度等于3～4倍的壁厚；宽度等于1～2倍的壁厚。面过渡处设计为圆角，有利于模具的使用寿命。圆角的大小视具体部位而定，一般 L 型部位内圆角半径 r 与外圆角半径 R 的关系为 R=r+t，其中 t 为圆角处壳体的壁厚。
3.2.5装配间隙检查
考虑壳体及变速器内部零件的制造误差、轴类零件的变形及润滑油流动的液压阻力等因素，一般应保证壳体内壁与变速器内部静止件间隙的公称值为3～4 mm，壳体内壁与变速器内部运动件间隙的公称值为5～8 mm。
3.2.6润滑冷却系统布置
减速器的关键部位应设置专门的润滑和冷却油路或设计导油结构，避免因润滑不畅，造成的润滑问题。
润滑一般分为飞溅润滑与压力油强制喷油润滑，减速器均采用飞溅润滑。
采用飞溅润滑就需要定义好储油腔、搅油轮与润滑油路，储油腔由变速器各壳体之间形成的封闭腔构成，一般位于变速器在整车安装姿态的下方部位的部分腔体油道的设计非常关键，既要防止铸造缺陷又要加工工艺性好。
其他的润滑主要是靠壳体内部的导油板，合理布置导油筋，轴承座布置油槽等解决。
注：1.轴承位置的油道，需考虑轴承位的受力方向，避免因受力问题造成早期的轴承失效。
2.润滑油面的高度一般在差速器轴承孔靠下端的三分之一高度处。中间轴上的齿轮均为搅油轮。油腔的加油口最低端与油面平齐，放油口位于油腔的最低点。
液面高度
3.2.7螺栓布置及分布
壳体接合面压力不够会导致接合面之间的密封胶不能压平，会形成一些孔隙，而且在接合面受力时壳体可能产生相对移动，造成渗油现象。其原因主要是螺栓的分布有问题和螺栓拧紧力矩不足，而螺栓分布问题又分为压力线密封线分离和螺栓跨度太大。
压力线密封线分离是指相邻2颗螺栓之间的连线与壳体接合面不重合，增加一颗螺栓后则压力线和密封线不分离。螺栓跨度太大是指2颗相邻螺栓之间的距离较大，一般设计要求其距离小于10倍螺栓直径。
注：螺栓布置时，需考虑重量对螺栓跨距的分布的影响。重心的上部分的跨距可小于下部分的跨距。
3.2.8磁铁位置设计
磁铁的安装位置应布置在整箱最低端，位置需可靠、稳定，同时需减小或消除油液对磁铁的冲击，造成对壳体的噪声激励，同时需设计润滑通道，切勿造成对油液的堆积，造成油液的搅动损失。
3.2.9结合面的设计
①结合面密封性——形状
为了避免拧紧螺栓时密封胶外溢，导致挤出的密封胶容易掉入变速器内部堵塞润滑油路，使变速器内部滚针轴承润滑不良而产生烧伤，影响变速器寿命。设计技巧是将壳体接合面设计成斜坡式或者圆角式。
铝铸件通常采用斜坡式，要求斜坡宽度2～3 mm，角度30°左右，平法兰宽度大于5 mm，螺栓孔周围法兰宽度大于3 mm。或采用圆角式，要求 R=4.5±0.8 mm，圆弧处理想间隙0.8 mm，法兰间直接接触宽度大于5 mm，法兰直接接触部分100%接触。
②结合面密封性——粗糙度-刀纹
壳体接合面的粗糙度值过小，也容易造成变速器的渗油。因为壳体接合面太光滑，会导致大部分密封胶被挤出去，接合面不能留住密封胶，就不能形成一定厚度的密封胶垫。设计技巧是壳体接合面的粗糙度值在0.8~3.2 范围内，对变速器密封比较有利。
壳体接合面的刀纹也对变速器的密封性能有影响。刀纹大致可以分为三种：镜面刀纹，贯穿性的刀纹和渔网状刀纹。
镜面刀纹是指壳体接合面像镜面一样光滑，基本看不出刀纹；
贯穿性刀纹是指接合面上的刀纹呈弧形条纹状，从壳体内部一侧贯穿到壳体外部一侧；
网状刀纹是指壳体接合面上的刀纹呈弧形交叉网状，像渔网一样。设计技巧是将壳体接合面加工成渔网状刀纹，对变速器密封比较有利。
3.2.10通风设计
为避免壳体内部过高压力导致热量的累积，密封唇口磨损增加，因而导致泄露。一旦出现负压，会因为密封唇口接触压力的下降，导致从油封处吸入空气，水和泥土。
为了防止油封处出现上述问题，必须设置通风口，通过空气的进入和排除使内、外压力平衡。考虑到工作可靠性和环境污染，不允许从通风口排放润滑油、油沫、油蒸气、油雾。必须防止水、泥土和灰尘进入减速器，通风口必须保持清洁。
1）排气
当存在负压时，箱体内部温度上升，会让壳体内的空气流经换气系统，进入大气。空气流会带出润滑油、油沫、油雾和油蒸气。
2）充气
当存在负压时，箱体内部温度下降，会让环境中的空气经换气系统进入壳体内部。空气进入会带入水、潮气、泥土和灰尘。
注：a.影响通气系统性能的决定性因素是它在减速器上的安装位置。当评价和设计换气系统时，必须对变速器系统及其环境作为一个整体来考虑。
b.常开式通气孔和常闭式通气塞各有优缺点。
常开式通气孔的优点是结构简单，成本低，变速器内部没有压力，对油封等密封件不会造成影响；缺点是变速器内部油气容易在通气孔外部凝结，形成油迹，影响美观，车辆在超过一定深度的水里涉水行驶时，变速器容易进水，使齿轮润滑油乳化，影响变速器的使用寿命。
常闭式通气塞的优点是变速器内部油气不会在通气塞外部形成油迹，车辆在涉水行驶时不会使变速器进水；缺点是结构较复杂，成本较高，变速器内部有一定压力，会对油封等密封件造成影响。
3.2.11防泄漏结构
为避免因油量设计过多、导油结构设计不合理，产生的通气塞处漏油问题，需对壳体内腔的通气处进行迷宫设计。
3.2.12吊装位置考虑
为保证整箱安装便利性，需在壳体上增加吊装孔，以便吊装并完成装配。设计吊装孔时，需考虑整箱中心与吊装中心重合，并保证整箱在吊装时，不发生倾斜、晃动。
3.2.13壳体油封位设计
油封是直接影响变速器密封的零件，很多渗油都发生在油封部位。
油封设计大致可从油封结构、橡胶材料、骨架和弹簧材料、唇口回油线等方面着手。
油封的结构可分为：粘结结构、装配结构、骨架结构和全胶结构等。
用作油封的橡胶材料主要有丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶和聚氨酯橡胶，特殊情况用硅橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯橡胶。
骨架材料常用热轧钢板或钢带，弹簧材料一般用弹簧钢丝或不锈钢丝等。
唇口回油线可分为：无回油线、双回油线、单回油线、波形回油线等。
油封的设计技巧是在三个油封的唇口处都预涂润滑脂，避免在下线台位试车时，因最初齿轮润滑油供应不足， 唇口早期干磨后导致油封渗油。
4、电驱桥壳体发展趋势
制约一体式壳体及高度集成式壳体设计开发的主要因素为分散性设计开发及铸造、加工能力的不足。
但为了提升电桥的整体品质，提升整车综合性能满足日趋激励的市场竞争，未来必然会形成由一个公司承接OEM的电桥进行整体开发或由各大主机厂进行统筹整体开发。
具备以上条件后还需要铸造行业，机加行业的技术作为支持，尤其以铸造技术为主导。当下国内的铸造公司大部分还不能掌握该技术，重点是在于模具结构设计、内外壳体热装及摩擦焊接技术。
所以要实现产品的升级需要铸造、加工行业的技术发展，这样就能在很大程度上使得分体式壳体逐渐过渡到一体式壳体，再通过铸造行业中各铸造技术的运用，高度集成式壳体的铸造将成为现实，同时伴随着现在五轴加工中心的普遍使用，高度集成壳体的时代即将到来。
5、总结
面对当下日趋激烈的新能源市场竞争，对于不同的OEM而言可能会根据当下自身的综合能力集合QCT综合评估选择自己的电桥布局，但在今后的发展过程中可以实施三步走战略，在自身储备还不完善的情况下，利用各大零部件供应商现有成熟产品，第一步先开发分体式壳体，在自身能力提升后第二步在产品更新换代时可逐渐从第一代的分体式壳体替换成第二代的一体式壳体，第三步再从第二代的一体式壳体过渡到第三代的高度集成式壳体。
参考文献：
[1]《汽车工程手册》新能源汽车设计篇. 北京：理工大学出版社
6、附录：优秀壳体设计举例
6.1 FSG310M
6.2 GKN-GE2I12GK
通气原理:
1.轴承具有泵吸功能,它可把外泄易进入通气塞的油吸入腔内,使通气塞不易漏油；
2.通气塞接头可旋转,因此通气塞可以在此处以任意角度安装而不因变速器侧转角度不一而使通气塞顶部不垂直向上产生泄漏。
6.3 Aichi-RE1F61A
6.4 PSA-3008H
6.5 Honda_i-mmd
6.6 某家壳体
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