0 前言

2022年以来，我国新能源汽车产业发展迅猛，已成为世界第一轻型电动汽车出口国。新能源汽车性能更强、智能化程度更高，动力总成由电机、减速器和控制器组成，或集成多个模块的多合一电驱，目前市场上有6合1、8合1、11合1等。车辆行驶时将电池的电能转化为电机的动能，电机和减速器采用花键配合连接，动能传递至减速器实现降速增矩，将动能传递至车轮提供动力。

电驱动系统常见的润滑方式为主动润滑或飞溅润滑，花键处的润滑至关重要。若花键处无法形成有效的润滑油膜，会导致磨损失效，造成动力传递不足，长时间干磨产生浮锈，进入轴承滚道或齿轮啮合处，造成电驱异响，甚至导致动力丢失，上升为安抛问题，对驾乘者的生命造成威胁。

本文基于某款电驱动产品发生的锈蚀问题进行分析，研究花键锈蚀的原理，通过FTA分析法锁定锈蚀的根本原因，进而优化电驱结构，有效地解决了花键生锈的问题，提高了电驱动系统的可靠性。

1 花键锈蚀形式及原因分析

1.1 电驱动系统结构及润滑方式

本款电驱动系统为平行轴结构，如图1所示。电机和减速器均为独立腔体；电机为水冷电机，通过水管与整车循环冷却系统相连达到冷却的目的；减速器为油冷结构，采用飞溅润滑的形式，对齿轮、轴承等零部件完成润滑冷却。减速器端为外花键，电机轴为内花键，两者完成花键配合，花键处的润滑冷却则由减速器中的润滑油完成。

图1 电驱动系统结构示意

1.2 锈蚀形式

样机搭载台架进行耐久性试验，进行至23%时，样机出现异常振动，停止试验并拆机检查，花键发生锈蚀，如图2所示。观察锈蚀情况发现：内外花键均产生红色干燥状浮锈，可轻易擦掉，说明产生浮锈的时间较短；输入轴端有黑色黏稠物质产生，堵塞花键间隙，花键处无润滑油；同时油封表面出现烧焦情况，已丧失密封性能。

图2 花键锈蚀情况

针对锈蚀现象进行机理分析，耐久试验存在长时间的正反驱动工况，且拆机后花键处无润滑油残留，说明花键在干燥情况下微动摩擦导致生锈。花键根部的黑色黏稠物质堵塞了花键间隙，润滑油无法进入花键形成润滑。分析黑色物质的元素组成，系润滑油在高温下结焦变质而成。

1.3 失效原因分析

电驱动系统结构复杂，花键锈蚀非单一零部件失效，而是多方面共同作用导致的系统问题。本文利用FTA问题分析法，如图3所示，基于结构设计、零部件质量、试验工况及装配方式多个方面分析可能原因，并深入研究验证，锁定最终根因。

图3 花键锈蚀原因鱼骨分析

1.3.1 设计原因

（1）电机运行温度过高热量传递到花键配合处

此款电驱动系统采用水冷电机，主要对电机定、转子进行冷却，而花键位于电机轴端部，水冷结构无法对此进行冷却。由于电机转速高、功率大，在工作时产生高温，以热传递的形式将热量传导至花键，造成了花键处温度异常升高。

（2）花键处的油量不足以冷却电机产生的异常高温

由于电机和减速器为独立的腔体，花键处的冷却仅靠减速器的润滑油完成。对电驱数模进行简化，进行CFD流体仿真分析，如图4所示，计算花键处的润滑油量。仿真结果显示花键处的润滑油流量为0.18L/min，湿壁面积为2.5%，该处设计满足花键的润滑要求。从仿真过程可知，虽然流向此处的润滑油量较大，但仅有少量的润滑油进入花键间隙完成润滑，大部分润滑油受限于壳体结构，在花键轴下方短暂停留便通过壳体孔回流至减速器内腔中，因此未达到冷却的目的。通过试验验证，花键处的润滑油量不足以冷却电机产生的异常高温。因此初步锁定锈蚀的根因为润滑油无法冷却花键处的异常高温。

图4 仿真结果

1.3.2 装配原因

（1）加油量不足

对样机加注要求的润滑油量进行润滑试验，试验完成后拆机检查，齿轮、轴承均未出现润滑不良问题，且检查发现花键处存在润滑油，说明在非连续正反驱工况下，要求加注的润滑油量满足花键处的润滑要求，故排除加油量不足的影响。

1.3.3 质量原因

（1）输入轴

根据失效样机编号追溯失效件，查找输入轴的检测报告及装配记录表，结果表明，输入轴全尺寸检测报告合格、花键精度检测合格、金相组织检测合格，装机时检查零件外观未见异常，因此排除输入轴质量原因。

（2）润滑油性能不合格

对失效样机的油样留存送检，通过专业机构检测润滑油的性能及成分，结果表明润滑油满足试验工况要求。对黑色物质检测，结果表明为润滑油在高温下结焦产生的固态形式。因此排除润滑油性能不合格的原因。

由此可确定，少量的润滑油在电机辐射的高温下结焦变质，堵塞花键间隙，减速器内的润滑油无法再对花键进行润滑，最终导致花键在干燥环境内微动摩擦发生锈蚀。

1.3.4 测试工况不合理

经调查发现，同批次的产品在进行其他试验时，均未出现锈蚀情况，仅在进行耐久性试验的正反驱工况下，出现锈蚀问题。由于无法确定电机高温是由工况导致或是电机本身存在的隐性问题，因此将测试工况不合理列为可能原因。

2 优化方案及验证结果

2.1 结构优化

通过FTA法逐条分析锈蚀的原因，此为系统问题，根因锁定为进入花键的润滑油量仅能满足润滑要求，而无法满足冷却要求，导致花键处的少量润滑油在电机产生的高温下结焦变质，形成固态的黑色物质堵塞花键间隙，造成减速器内的润滑油无法对花键进行润滑冷却，花键在密闭干燥的环境内微动摩擦发生锈蚀。因此，解决锈蚀问题的方法之一便是提高流入此处的润滑油量，保证足量的润滑油不会在高温工况下发生结焦变质，提高冷却能力，通过润滑油的回流带走电机高转速工况产生的异常高温。

基于锈蚀根因，对壳体结构进行优化，如图5所示。减小壳体孔径，与输入轴配合单边间隙仅保留0.5mm，并在斜下方增加回油槽，目的是增大花键处润滑油的储量，延长润滑油对花键的冷却时间，油位线可至回油槽水平位置。回油槽则是防止存储油量增加伴随着油压增大而破坏油封造成泄漏。此方案可使花键轴径的下部分能够浸泡在油液中，且润滑油回流至减速器内腔的速度减缓，从而达到提高冷却效率的目的。

图5 壳体结构变更

2.2 验证结果

对优化后的结构进行CFD流体仿真分析，如图6所示。结果显示，润滑油回流的速率大幅度降低，更多的润滑油被储存在壳体局部空间内，花键的湿壁面积提高，温度明显降低。

图6 新模型的CFD流体仿真

根据三维模型进行壳体修模，严格管控孔径公差和回油槽的尺寸要求。将修模后的壳体进行装机并搭载台架，以相同的工况再次试验。当试验完成度分别为50%和100%时，进行拆机检查，结果显示花键无异常，未发生锈蚀，如图7所示。最终，通过CFD仿真和试验验证，均可证明优化壳体结构能有效改善花键锈蚀问题的发生。

图7 试验样机拆机检查结果

3 结语

基于此款电驱动产品的花键锈蚀问题，通过FTA的方式锁定根因，花键处的润滑油仅能满足润滑要求，而无法满足冷却要求，导致少量润滑油在高温下结焦变质，堵塞花键间隙，使得花键在密闭干燥的环境内微动摩擦发生锈蚀。

通过对壳体结构的优化，减小壳体的孔径，增加回油槽，提高了花键处润滑油量，使花键轴径的底部能够浸泡在油液中；同时降低了润滑油回流的速率，提高润滑油的冷却能力，最终解决了花键锈蚀问题的发生。

此款电驱动产品的锈蚀问题已录入公司的问题管理系统，要求在研及后续项目务必全面横展，避免类似问题的发生。质量部门高度重视样机问题对售后市场的影响及客户的产品体验，快速响应思考解决措施，保证产品质量。电驱动产品正处于性能化、智能化的发展阶段，必须将各类问题解决在研发阶段，保证新能源汽车的可靠性和驾乘者的生命安全。

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