引言：新能源汽车传动系统包括电机、变速箱、传动轴等组成部分。为了推动新能源汽车发展进程，利用轻量化技术开展传动系统的合理设计，能够从整体上减轻新能源汽车的自身重量，从而达到节能的效果，进而实现节能降耗的目标。
一、新能源汽车传动系统轻量化设计
（一）做好系统布局设计工作
要使新能源汽车传动系统中的变速器达到轻量化的目的，需要做好整体布局设计工作。对于相同扭矩容量的变速器来讲，在初始设计方案中，不同的传动方案导致不同的空间布置和重量，质量相差最高可达25%。要达到轻量化的目的，通常来说，保证布局的紧凑性，对于实现新能源传动系统轻量化来说是非常有利的。比如，市面上主流纯电汽车变速箱是定齿数比的一档二级圆柱斜齿减速箱，但舍弗勒、GKN公司等已开发出的变速箱采用了高传动比的行星排减速机构，大大节约了传动空间和重量。
（二）做好系统集成设计工作
若想要新能源汽车传动系统中的变速箱达到轻量化的目的，首先需要做好换挡塔工作，可以利用焊接技术、压装技术来进行相关零件的集成，这样能够减少零件总数量，在实现换挡功能前提下实现零件结构的简化；还可以进行整体式结合齿齿轮的应用，用以减少零件的个数，且具有非常高的可靠性[1]。其次，还需要做好集成化的结构设计工作，目前，新能源汽车传动系统主流集成方案是所谓的“三合一”，就是将驱动电机、减速器（包括差速器）和控制系统集成在一起，将电机壳体、电机控制器壳体、减速箱壳体等三个子系统壳体设计为一体共用，以实现传动系统的轻量化和小型化，提高传动效率。
（三）做好零件结构设计工作
设计人员还应该注重零件结构的设计,大胆减少零件上安全裕度大的区域的材料分布，比如：新能源汽车电机输出轴、减速箱齿轴等轴类件，其表面应力较大，而心部应力较小。在相同载荷条件下，内孔和外径之比为0.5的空心轴，其外径仅需比实心轴的外径大2%即可达到等同的强度性能指标，但是节材率却达到约20%。随着激光焊接工艺、深孔钻削工艺、旋锻工艺等新工艺新技术的发展应用，空心轴的制造难度已经大幅下降，并成功应用在有关车型上。笔者相信随着新能源汽车的发展，空心轴的成本劣势也会被逐渐迭代优化。
二、轻型材料、新工艺在新能源汽车传动系统轻量化中的应用
（一）铝合金材料的应用
铝合金材料是典型的轻量化材料之一，因为铝合金材料密度是钢铁的三分之一，而且铝合金材料具有耐腐蚀的作用，能够在很大程度上保证新能源汽车的使用寿命。铝合金在低端车型中因原材料价格较高，市场推广应用受到了限制，但在中高端车型(目标客户对成本不敏感)的传动系统中应用较为广泛，据笔者了解，某款合资品牌混动车型中的差速器就使用了6013铝合金，它具有杰出的成形性（熔铸性、塑性成形性、焊接性）、中等的比强度、良好的抗腐蚀性、上等的损伤容限、优良的热暴露稳定性等一系列性能。
（二）尼龙材料的应用
尼龙材料的使用也能够让新能源汽车变速箱实现轻量化，对于非承载的汽车零件来说，需要在保证其零件的精度前提下，尝试使用尼龙材料。尼龙材料的使用能够减轻钢材材料的七分之六左右，因而能够看到此种材料所具有的重要性[2]。目前，部分变速箱差速器垫片用的就是尼龙PA66材料制作而成的。笔者开发对比过一款集成在纯电汽车减速箱中的差速器总成，如果用尼龙材料PA66代替传统65Mn钢件材质，该总成整体质量将会降低0.1%，但是其机械功能如疲劳耐久、抗冲击性能、抗胶合性能都与传统钢件材质的设计方案相当。
（三）以锻代铸工艺和材料的应用
新能源汽车变速箱中关键零部件—差速器，其主流设计方案仍然沿用了传统燃油车差速器设计思路，其壳体常用材料牌号为QT500、QT600、QT700等,制造方案是砂型铸造成毛坯之后机加工完成。以QT500为例，其抗拉强度只有500Mpa, 而且铸造工艺本身不可避免地出现砂眼、疏松、冷隔等铸造组织缺陷，进一步限制了铸件壳体承载扭矩的提高，但是随着市场和技术的发展，新能源汽车作用于差速器上的名义扭矩普遍从3000～4000Nm,提高到了5000～6000Nm，同时留给差速器的包络空间不变或略有减小，如果继续沿用传统燃油车的壳体设计方案就无法满足要求，更不能起到轻量化的目的。为此，市面上已经有采用40CrNi2MoA等中碳合金钢经锻造毛坯后精加工制成差速器壳体，这种锻钢材料整体调质后抗拉强度高达1080Mpa, 几乎是铸铁材料的1.5倍～2倍，同时材料组织经锻打后保留了利于提高强度的金属流线，是新能源汽车变速箱铸件类不可缺少的轻量化材料替代方案，但是同样因为成本的问题，以锻代铸工艺在低端车型中应用不多。
（四）激光焊接工艺的应用
激光焊接作为一种高效精密的连接方式，具有加工效率高、加工精度高、热影响区小、焊件变形小、自动化程度高等特点。在新能源汽车传动系统中的应用案例主要有上文提到的中空式电机输出轴焊接、末级减速齿轮（业界称之为主减齿）的大轮与差速器的焊接、密封式差速器中的半轴齿轮与装配在其上的油封盖的焊接。
（五）表面感应淬火工艺的应用
表面感应淬火工艺是利用电磁感应原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，从而在表面产生感应电流，电流以涡流形式快速加热零件表面，之后快速急冷的淬火方法，与常规热处理方法相比，感应加热淬火后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。而且该方法可以在结合有限元法分析识别零件强度薄弱位置的基础上，仅仅针对薄弱位置做感应淬火强化，这样既提高了零件强度，避免了靠增加零件大尺寸造成重量增加之外，又降低了热处理变形量，避免了常规的整体热处理造成的零件精度下降，这一点特别是适合应用在对NVH要求极为严格的新能源车辆传动系统。目前应用案例有：连接变速箱和轮毂的驱动半轴（或称输出轴）末端花键、电机轴末端花键、差速器壳体轴承颈等处。
三、计算机辅助工程技术在新能源汽车传动系统轻量化中的应用
设计人员可以使用计算机辅助工程技术来进行零件结构优化和轻量化工作，该技术是将计算机软件与工程技术相互结合，从而可以通过数值分析方法模拟物理现实工况得到数值解的一种行之有效的方法。该数值分析方法主要包括下述三大类工业软件，在新能源汽车传动系统轻量化设计中，越来越展现其强大威力。
（一） 设计类软件
这类软件也就是通常我们说的CAD软件，不仅仅是指狭义上的AutoCAD、UG等二维或三维绘图类软件，更是指Romax、Masta、Kisssoft等设计仿真类软件，这类软件主要用于传动方案匹配设计和系统评估，能够在产品耐久性、效率匹配、NVH、成本等诸要素和轻量化之间进行权衡，为产品开发过程的早期工程决策提供依据，筛选出满足整车使用要求又符合轻量化指标的设计方案，所以，从设计者角度而言，设计仿真类软件对轻量化设计工作更为重要。
（二）有限元类软软件
这类软件也就是通常我们说的CAE软件，当前主流车厂和零部件厂商使用的多是Ansys、Abaqus等商用有限元分析软件。这类软件主要是预测零件能否满足特定工况要求：如冲击、耐久等等。在新能源汽车传动系统零件轻量化设计中，用的最多的两个方法是是可靠性分析和拓扑优化。
可靠性分析，或称概率分析，是指在评价零件某强度指标时，不再用传统的安全系数法去评估零件安全可靠程度，因为安全系数法实质是一种模糊化估计，而非定量分析，设计者为了保证零件正常服役，往往采用保守的系数，这种设计理念不适合开展轻量化工作。可靠性分析将影响某一强度指标的所有因素：载荷分布、尺寸公差、材料特性、理化指标等等均视为符合某一特定形态分布规律的变量,通过软件计算分析进而获得在设计寿命内满足该指标强度的可靠度，以可靠度代替传统的安全系数法。
拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种，通常应用在概念设计阶段，相比应用在详细设计阶段的形状优化和尺寸优化，结构拓扑优化节省材料更为显著。但要注意的是CAE软件找出的最佳现状不一定具有工艺可行性，这是就需要结合设计者经验和下文讲到的工艺过程类仿真软件去做进一步判断。通常在新能源汽车传动系统零件设计中，拓扑优化法通常应用在变速箱壳体、电机外壳、差速器壳体等具有复杂几何边界的零件。
（二） 工艺过程类仿真软件
这类软件以Deform为代表，该类软件是专门为金属成形而设计、为工艺工程师量身定做的仿真软件，可以模拟冲压、锻造、铸造、机加工、热处理等工艺过程，用以预测材料金属流动、金属填充、制造过程应力、金属微结构和制造过程缺陷等情况。新能源汽车传统系统新的零件设计结构层出不穷，在制定轻量化方案时就要开展制造过程模拟，以保证设计的零件具有制造可行性。
结束语：综上所述，对于新能源汽车来说，其传动系统的重量与其损耗的能量具有非常大的关联，为真正实现传动系统的轻量化设计，有效降低传动系统的重量，实现节能降耗的目标，必需注重对轻型材料和新工艺的使用，必需注重计算机辅助工程技术在总体方案布局和零件结构设计方面的应用，这对促进新能源汽车产业的发展来说意义重大。
参考文献：
[1]耿金华,吴嘉聪,陈伟豪,陈湖演.新能源汽车轻量化设计探讨[J].农业工程与装备,2021,48(03):22-24.
[2]费宁忠.新能源汽车传动系统的轻量化设计与典型应用[J].金属加工(冷加工),2020(04):14-18.
作者简介：焦继松，男，籍贯河南商水县，1985年生，汉族，硕士研究生学历，工程师，主要研究方向是新能源汽车零部件设计。
