针对新能源汽车电驱动桥主减速器齿轮在高转速、高扭矩工况下因摩擦生热导致的温升问题，开展了系统的生热特性分析与冷却优化研究。通过建立斜齿轮多级减速器模型，结合理论计算与ANSYS有限元仿真方法，进行了瞬态结构分析与稳态热仿真，准确计算了齿轮啮合温度，并分析了转速、扭矩及对流换热系数对温度的影响规律。研究结果表明，齿轮温度与转速、扭矩呈正相关，与对流换热系数呈负相关。进一步对比喷油冷却与浸油冷却两种方式的散热效果，发现喷油冷却在降温和润滑方面均优于浸油冷却。研究为电动汽车驱动桥齿轮的热管理设计提供了理论依据与工程参考，对提升传动系统可靠性具有重要价值。

2025年1月至4月，我国新能源汽车表现强劲，产销量达442.9万辆和430万辆，同比大幅增长48.3%和46.2%，市场份额已攀升至42.7%。这充分表明，新能源汽车已成为推动我国汽车市场稳定增长和转型升级的主导力量。电驱动桥作为新能源汽车的核心传动部件，其性能对整车有巨大影响，而主减速器齿轮作为电驱动桥传动系统的重要组成部分，其强度将直接影响整车的性能甚至驾驶员的驾驶安全。驱动桥主减速器齿轮长期在高转速高扭矩的工况下工作，容易产生较高的温度，进而引发齿轮失效。在电驱动桥中齿轮产生的热量主要来自齿轮间的摩擦生热，啮合齿面间的摩擦类型主要有3种：滑动摩擦、滚动摩擦和金属弹塑性变形引起的内摩擦，主减速器齿轮具有较大的相对滑动速度，所以忽略滚动摩擦跟内摩擦，现阶段张森博针对传统驱动桥主减速器功率损失进行研究，通过建立良好的换热模型对驱动桥主减速器润滑性能进行优化。林方军等通过利用实验台架进行实验的方式分析了驱动桥主减速器的温升原因并且通过优化加油量，调整齿轮传动力矩的方式进行了优化，但是这些研究针对传动驱动桥，而电驱动桥与传统驱动桥在结构上有所不同。本文利用ANSYS等软件对电驱动桥的主减速器齿轮结构进行有限元仿真得到了量化数据，同时，对电驱动桥主减速器齿轮的摩擦生热问题展开分析，使用从结构设计与冷却方式两方面对齿轮进行了优化，针对电驱动桥的主减速器温度优化作出了一定贡献。

确定减速器的齿轮参数，以某品牌单电机汽车为例，利用公式为

式中，r_r为车轮滚动半径，根据《车辆用户手册》取值为0.4m；n_p为最大功率下发动机的转速，取值为10000r/min；v_amax为汽车最高车速，取值为200km/h；i_gh为最高挡传动比，取值为1。最后算得减速器齿轮传动比为7.54，乘用车电驱动桥减速器的传动比通常在7-10，所以取传动比i₀=8。目前，绝大多数量产车采用单级减速器，但是多级减速器正成为未来发展的重要方向。与单级减速器相比多级减速器具有能够改善动力性能，提升高速续航里程，优化能量效率，改善噪声、振动和声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）性能等优点，所以采用如图1所示的多级减速结构，使用多级减速结构以后将传动比为8的齿轮转换为两个传动比为2的齿轮啮合。为了方便分析本文主要对最后一级减速齿轮进行分析，根据王军年等的研究表明，在汽车构造，特别是驱动桥的结构中，广泛采用斜齿轮作为传动部件，斜齿轮与传统直齿轮相比具有运行平稳噪音低，同时具有更高的承载能力，所以选用斜齿轮作为主要结构，具体的齿轮参数如表1所示。

图1 减速器多级减速结构

表1 主减速器齿轮参数

在确定齿轮参数以后用SolidWorks软件进行建模，大齿轮采用锻造齿轮，小齿轮为轴齿轮，齿轮的轴孔计算公式为

式中，τ为材料的许用剪应力；T为齿轮传递的扭矩；经过计算小齿轮的轴孔要大于32mm，所以选取轴孔直径为60mm。减速器齿轮模型如图2所示。

图2 减速器齿轮模型

利用ANSYS软件对齿轮进行有限元分析（见图3），用瞬态结构模块对齿轮的接触应力进行分析，齿轮材料选择高强度的20CrMnTi渗碳合金钢，弹性模量为200000MPa，泊松比为0.3，给主动齿轮施加300N·m的扭矩，模拟在高扭矩状态下齿轮接触情况，分析在0.1s内齿轮的接触，分析结果如图3所示。

图3 直齿轮接触应力仿真云图

赫兹公式：

式中，σ_c为任意计算接触点的局部接触应力，MPa；F_n为计算接触点的法向力，N；b为接触宽度，mm；ρ₁、ρ₂为两个齿轮接触点的曲率半径；E₁、E₂为弹性模量；μ₁、μ₂为泊松比，接触点的法向力计算公式为

式中，T为主动轮转矩，N·m；d为分度圆直径，m；α为端面压力角；β为螺旋角。代入数据求得F_n为1026N，代入赫兹公式求得σ_c=128MPa，与仿真结果当中的最大应力132.32MPa，误差在5%以内，齿面接触应力的合理误差范围在5%～15%，齿根弯曲应力在5%～12%，所以仿真结果在合理误差范围内。同时，仿真结果远小于合金钢材料的最大屈服应力1500MPa，符合要求。单个齿轮接触的应力如图4所示。

图4 单个齿轮接触应力

通过观察齿轮单个应力的细节图可以发现齿轮齿根处所受的接触应力较大，这是由于杠杆效应造成齿根部位的弯曲弯矩较大，而且由于几何形状引起的应力集中现象造成的，这也是齿轮容易产生微观点蚀以及疲劳裂纹的重要原因，可以通过增大模数与齿宽、优化齿形、齿根修型等从设计阶段优化，也可以选用高强度材料、在齿根表面做强化处理等在制造与材料工艺阶段进行改良。 

在仿真前处理阶段为了仿真结果的准确性使用HyperMesh软件用切割的方法对齿轮进行网格划分，在齿轮接触部分细化网格，由于斜齿轮结构较为复杂，所以选择四面体网格，网格划分如图5所示。

图5 齿轮网格划分

对齿轮进行稳态热仿真分析（见图6），在求解齿轮的稳态热先用耦合场瞬态分析得到齿轮的瞬态热，然后输出热通量将热通量作为热边界条件输入到稳态热模块来求解齿轮的稳态热，在瞬态热分析模块设置环境温度23℃，齿轮接触方式为调整接触的摩擦接触方式，为了便于观察齿轮间的温度分布采用齿轮干运行无润滑状态下的摩擦系数0.2，在实际过程中良好润滑条件下摩擦系数在0.03～0.12之间，远小于这一数值。同时，对两个齿轮施加在自然对流状态下10W/(m²·℃)的对流换热系数。

图6 斜齿轮稳态热仿真云图

通过观察仿真结果发现齿轮温度有明显的升高，小齿轮的温度升高要大于大齿轮，并且在多次接触的位置温度的升高更为明显，这是因为大小齿轮的工作循环次数有差异，而且两个齿轮的滑动速度存在差异，小齿轮的齿根和齿顶的曲率变化更剧烈，同时小齿轮的热流密度远高于大齿轮，热量更集中的产生于小齿轮的根部。 

根据宫燃等的研究，齿轮啮合温度升高主要是由于齿轮间的摩擦，摩擦功率损失计算公式为

式中，P_a为摩擦功率损失，kW；f为滑动摩擦系数；Fa为齿轮啮合面法向载荷，N；V_a为齿轮啮合点处的相对滑动速度，m/s。齿轮法向载荷计算公式与前文式（4）一致。齿轮啮合处的相对滑动速度V_a计算公式为

式中，n₂为主动轮转速，r/min；s为齿轮啮合线长度，mm；Z₁、Z₂分别为大、小齿轮齿数。滑动摩擦系数计算公式为

式中，b为齿轮副有效齿宽，mm；μ为润滑油动力粘度；V_b为齿轮副接合处相对滚动速度，m/s。齿轮啮合点处相对滚动速度计算公式为

式中，d₁为大齿轮分度圆直径，mm。

通过以上公式计算得到两齿轮啮合产生的温度为332℃，与仿真结果330.67℃误差在1～5℃之间，在合理的误差范围内。同时，通过公式可以发现齿轮啮合的转矩以及转速对齿轮啮合温度有比较大的影响，通过调整仿真过程中对温度影响较大的齿轮间的扭矩、转速以及对流换热系数三个参数，分别如图7-图9所示。

图7 齿轮温度与转速关系图

图8 齿轮温度与扭矩关系图

图9 齿轮温度与对流换热系数关系图

综上，可以发现，齿轮间由于功率损失所产生的温度与转速以及扭矩基本成正比关系，与对流换热系数成反比关系。其中，转速和扭矩与热量的产生有关，而对流散热系数与热量的散发有关。转速增加不仅滑动速度增加，而且单位时间内啮合的次数也会增加；扭矩增加直接导致齿面法相载荷增大，所以导致温度升高。通过它们之间的关系可以发现，要想对齿轮进行冷却应该提高散热减少产热。

根据黄仁泷等的研究可知，现在减速器齿轮的冷却方式主要有风冷，水冷以及油冷，油冷的散热效率高并且故障率低。因此，本文采用油冷散热仿真来分析喷油散热以及浸油散热两个冷却方式，将喷油口在两齿轮啮合处的正上方，这一位置由于齿轮的摩擦通常温度较高，油液为工程常用的矿物型合成齿轮油，喷油速度设置为10m/s。仿真结果如图10所示，通过观察仿真结果发现两个齿轮的温度较之前的稳态热模块温度有明显降低，冷却后峰值温度为155℃，最低温度为22℃，比冷却前的温度降低了53%左右，仿真结果表明喷油冷却机构对齿轮有明显的冷却效果并且在喷油口处冷却效果最佳。

图10 喷油冷却温度云图

观察齿轮喷油冷却油液分布如图11所示，在喷油冷却的过程中油液会通过喷油口喷洒到齿轮表面，并黏附在上面，油液在起到冷却作用的同时也减小了齿轮间的摩擦起到了润滑的作用。

图11 齿轮喷油冷却油液分布云图

在进行喷油冷却以后再对齿轮进行浸油冷却，对减速器齿轮进行浸油冷却结果如图12所示。通过仿真结果发现浸油冷却也能起到良好的冷却效果，大齿轮温度在50℃左右，温度大大降低，但是冷却效果主要针对于大齿轮，而对小齿轮冷却效果较差，具有一定的局限性，这是由于浸油冷却主要依靠电驱动桥内部流动的润滑油进行冷却，小齿轮与润滑油接触较少。

图12 浸油冷却温度云图

本文通过SolidWorks、HyperMesh、ANSYS等多软件联合设计了一款多级齿轮减速结构，提出了一种新的利用热通量求解稳态热的求解方式，并对电驱动桥减速器齿轮进行仿真研究，结合理论计算，确定了模型的准确性。然后对模型进行接触应力以及温度仿真分析，对齿轮使用独特的流固耦合仿真分析，验证了喷油冷却方式的可行性以及与常规浸油冷却方式对比的优势，使差速器齿轮在传动的平稳性，温度的控制等方面有所提高，本研究针对电动汽车传动齿轮温度冷却研究具有一定的参考价值。但是文章对于油液冷却时齿轮的甩油过程仿真还存在一定的局限性。在以后的研究中需要考虑甩油过程以及油液、桥壳、齿轮三者之间的热交换，得出更加准确的温度仿真结果。