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電動汽車同軸式電驅(qū)動橋力學(xué)特性分析
2020-04-10 20:31:52· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：高尉 劉高朋
1、同軸式電驅(qū)動橋分析同軸式電驅(qū)動橋具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 、傳動效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是針對純電動汽車的結(jié)構(gòu)布局和傳動特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一 種機(jī)電一體化驅(qū)動系
1、同軸式電驅(qū)動橋分析
同軸式電驅(qū)動橋具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小 、傳動效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是針對純電動汽車的結(jié)構(gòu)布局和傳動特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一 種機(jī)電一體化驅(qū)動系統(tǒng)，因此適合應(yīng)用于微型電動汽車上。Cai等對幾種電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)布置形式進(jìn)行了介紹，并對根據(jù)性能要求對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述；
設(shè)計(jì)了一種帶同軸電機(jī)的驅(qū)動橋，并對其結(jié)構(gòu) 和工作原理進(jìn)行了說明；秦建軍 "等針對特種電動車輛設(shè)計(jì)了一種將電機(jī)、減速器 、差速器和輪軸在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成整體的驅(qū)動系統(tǒng)傳動方案，并對重要的聯(lián)接進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核；設(shè)計(jì)了一種將機(jī)械差 速器容納于電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)電一體化驅(qū)動系統(tǒng) ，并進(jìn)行整車性能仿真分析和續(xù)駛里程仿真 ，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性與可行性。
目前針對同軸式驅(qū)動橋進(jìn)行的研究大多集中在設(shè)計(jì)方面且只對其部分傳動部件進(jìn)行了簡單的強(qiáng) 度校核，而由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性，將同軸式驅(qū)動橋的電機(jī)和傳動系統(tǒng)作為一個完整的 系統(tǒng)進(jìn)行的分析是有必要的。本文以某微型 商用車的同軸式電驅(qū)動橋?yàn)檠芯繉ο?，采?開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，對傳動系統(tǒng)的 力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。
2、同軸式電驅(qū)動橋原理及結(jié)構(gòu)
同軸式電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動橋有諸多不同之處，電機(jī)定子與底盤固定在一 起 ，驅(qū)動系統(tǒng)的電動機(jī)軸是一種特殊制造的空心軸，在電動機(jī)輸出軸端蓋處，裝置驅(qū)動 橋的差速器，差速器殼體與空心軸鑄為一體， 其中一根驅(qū)動橋的半軸是從電動機(jī)的空心軸中 通過，另一根半軸由差速器直接帶動，兩個半 軸與電動機(jī)的輸出軸在同一軸線上。
搭載所研究驅(qū)動橋的純電動汽車為微型商用車 ，主要用于市內(nèi)交通 ，最高時(shí)速為 80km/h, 采用輪邊減速器，通過等速萬向節(jié)與驅(qū)動橋半軸相連，如圖 1所示 。
驅(qū)動電機(jī)為6/4極開關(guān)磁阻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2500r/ min,峰值轉(zhuǎn)矩為70N • m?；赗omax建立了傳動系統(tǒng)的模型，由于模型較為復(fù)雜，因此在不影響結(jié)果的前提下對模型進(jìn)行了簡化，如半軸齒輪與半軸的 聯(lián)接用剛性聯(lián)接代替。電機(jī)轉(zhuǎn)子和差速器殼 體是在Catia中建立模型再進(jìn)行網(wǎng)格劃分后導(dǎo)人 Romax中。差速器殼體的有限元模型如圖 2 所示 ，
采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸控 制 在 3mm,共劃分出 34 038個 節(jié) 點(diǎn) ，145 498 個單元。各部件材料屬性如表1所示。
3、傳動系統(tǒng)計(jì)算與分析
將電機(jī)輸出的峰值轉(zhuǎn)矩作為傳動系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩，在 Romax中對傳動件進(jìn)行靜力學(xué)分析。汽車在全力加速和爬坡時(shí)可認(rèn)為是直線行駛，此時(shí)差速器不工作，相當(dāng)于一個等臂推桿，因此轉(zhuǎn)矩平均分配給左右半軸，因此設(shè)置左右半軸的轉(zhuǎn)矩輸出為35N. m，如圖3所示。
( 1 )差速器殼體結(jié)果分析
差速器殼體是該傳動系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵部件 ，形狀不規(guī)則且受力復(fù)雜，因此對其進(jìn)行有限元分析。圖 4 為上述工況下，差速器殼體的 偏移量和應(yīng)力云圖。
可以看出，差速器殼體的最大偏 移 量 為243.47um，出現(xiàn)在 X 軸方 向，變形較大的位置主要在兩側(cè)安裝止口邊 緣和鼓形殼體上。由于右半軸從差速器殼體 的空心軸中穿過，兩者間有相對轉(zhuǎn)動，且空心軸的直徑受到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑的限制，因此 空心軸應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度的以保證兩 者不發(fā)生干涉，結(jié)果顯示空心軸處的偏移量集中在 100um，對左半軸傳動影響不大。應(yīng)力云圖顯示孔邊緣、空心軸和右側(cè)階梯軸上有應(yīng)力集中，但應(yīng)力均不大 ，僅為 34.5MPa, 這樣的應(yīng)力雖然不會造成軸的屈 服失效，但容易引發(fā)疲勞損壞（雖然應(yīng)力分 布是在最大轉(zhuǎn)矩的極限工況下得出來的，但根據(jù)靜力學(xué)理論，在常規(guī)工況下此處也存在 應(yīng)力集中），可進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，如増加階梯 軸過渡區(qū)域圓角半徑，從工藝上降低空心軸 表面改善表面質(zhì)量。
(2) 一字軸結(jié)果分析
一字軸長期承受沖擊載荷，是傳遞轉(zhuǎn)矩 的重要部件，而且它的變形對齒輪嚙合有較大影響，其強(qiáng)度和剛度需要得到重視 。與一字軸接觸的有差速器殼體和行星齒輪，受到差速器殼的推力和行星齒輪的阻力形成剪切力和彎矩，因此軸的端部和行星齒輪安裝位置的受力較大，可能存在危險(xiǎn)截 面。但由圖5d可知 ，彎曲應(yīng)力是主要應(yīng)力，雖然軸上存在應(yīng)力集中，但最大應(yīng)力僅為47MPa, 遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度 。一字軸的最大徑向位移出現(xiàn)在軸的兩端為 242.5um, 與差速器殼體軸孔X 方向的位移十分接近，且由兩端向中點(diǎn)遞減，結(jié)合圖4b可知（殼體局部坐標(biāo) 的 X 方向?qū)?yīng)于一 字軸的Y 方向 ），主要原因是差速器殼體的 變形造成其上的軸孔發(fā)生偏移，從而使得軸的每一個截面相對于原位置產(chǎn)生了線位移 ，故應(yīng)采取相應(yīng)的措施提高差速器殼體 的剛度以減少殼體變形對齒輪嚙合的影響。
（3）半軸結(jié)果分析
由于汽車直線行駛，行星齒輪和半軸齒 輪沒有相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩被平均分配給左右半軸 ，兩半軸受力情況相同，所以只針對右半 軸進(jìn)行分析，左半軸同理。半軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的一半，在工作過程中，半 軸齒輪受到來自行星齒輪的輸出載荷導(dǎo)致齒 輪根部一端受力較大，半軸末端產(chǎn)生對圓錐 滾子軸承的軸向反作用力。半軸與半軸齒輪 之間通過鍵聯(lián)接，且在兩半軸有差速時(shí)還需 承受齒輪嗤合的沖擊載荷，應(yīng)保證此處的應(yīng) 力不會對聯(lián)接造成破壞，峰值轉(zhuǎn)矩工況下半 軸的最大組合應(yīng)力為11.5MPa，出現(xiàn)在直徑最小一段，其中起主要作用的是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。另 外 ，半軸的最大徑向位移相當(dāng)小，這樣的變 形對傳動幾乎沒有影響（圖6所示)。
（4）齒輪彎曲應(yīng)力分析
對汽車差速器齒輪來說，疲勞強(qiáng)度不是 主 要 矛 盾 ，彎曲強(qiáng)度是主要考慮的因素?。Romax計(jì)算得到差速器齒輪的彎曲應(yīng)力為 137MPa，安全系數(shù)為 6.1。為了對計(jì)算結(jié)果 進(jìn)行驗(yàn)證，下面將使用傳統(tǒng)的計(jì)算方法對齒 輪在最大轉(zhuǎn)矩下的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。齒輪 參數(shù)如表 2所示。
傳統(tǒng)算法中，差速器齒輪的彎曲應(yīng)力可 用 公 式 （4 ) 計(jì) 算
式中，K0為超載系數(shù)，K0=1; Ks為尺寸系數(shù) ，Ks=0.749; Km為載荷分配系數(shù) ，Km= 0.6; n為行星齒輪數(shù)目，n=2; Kv為質(zhì)量系數(shù)，Kv=1 ; J為差速器齒輪彎曲應(yīng)力的綜合系數(shù)，J=0.223;
計(jì)算得 Qw=171MPa, 大 于 Romax計(jì)算的彎曲應(yīng)力，這說明傳統(tǒng)計(jì)算方法相對保守。齒輪材料選用 20CrMnTi,屈服極限 為 835MPa, 安全系數(shù)為 4 . 9 ,具有較大的安全裕度。
4、結(jié)論
建立了同軸式電驅(qū)動橋的傳動系統(tǒng)模 型 ，在最大轉(zhuǎn)矩工況下對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了 力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)最大偏移量發(fā)生在差速器殼 體 上 ，為 237.62um, 不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各個部件的所受載荷處于正常范圍，強(qiáng) 度均滿足工作要求，但部分位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。
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