同軸式電驅(qū)橋的輕量化設(shè)計(jì)

現(xiàn)在新能源汽車的電驅(qū)動橋基本都是在燃油車車橋的基礎(chǔ)上額外增置驅(qū)動電機(jī)。由于電機(jī)偏置會導(dǎo)致驅(qū)動橋鋼板座承受額外的傾覆力矩，進(jìn)而引起車身振動，降低駕駛舒適性。針對電驅(qū)動橋電機(jī)偏置問題，有人提出了雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)電驅(qū)動橋設(shè)計(jì)，在保證汽車動力性的前提下有效避免了非同軸布置產(chǎn)生的問題，但是雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)電驅(qū)動橋造價(jià)昂貴、控制復(fù)雜且非同軸。因此，新能源汽車電驅(qū)動橋的同軸設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí)，如何在滿足汽車使用性能的要求下，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動橋的輕量化設(shè)計(jì)，降低簧下質(zhì)量提高乘坐舒適性，是亟需解決的另一難題。
 

針對電驅(qū)動橋非同軸問題、為減少環(huán)境污染，筆者提出一種純電動汽車同軸一體化電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)，建立其有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度、剛度以及性能分析；根據(jù)仿真分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動橋的輕量化設(shè)計(jì)。
 

１　電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其有限元模型

1.1純電動汽車電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  為了克服電機(jī)懸掛所產(chǎn)生傾覆力矩的影響，提出一種同軸一體化電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 １所示。

  該電驅(qū)動橋采取同軸式結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)、二級減速器、差速器和半軸組成，電機(jī)輸出軸通過花鍵帶動減速器的輸入軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)兩級齒輪減速后將動力傳遞給差速器，而半軸穿過空心電機(jī)軸插入差速器，最后動力經(jīng)半軸輸出到車輪。

1.2　電驅(qū)橋有限元模型

  建立電驅(qū)動橋橋殼有限元模型，如圖２所示。

電動汽車一體化電動橋殼的主要參數(shù)為滿軸載荷1.9t，輪距1490mm，板簧距1016mm。材料設(shè)定為40Cr，將橋殼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，處理后的40Cr參數(shù)如表１所示。

某電動商用車基本參數(shù)及驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)如表２所示。

2 同軸一體化電驅(qū)橋極限工況分析

  汽車實(shí)際受力情況較為復(fù)雜，按最大沖擊工況、最大驅(qū)動力工況、緊急制動工況以及最大側(cè)向力工況進(jìn)行分析。如電動汽車在上述４種極限工況下驅(qū)動后橋橋殼達(dá)到強(qiáng)度剛度使用條件，則可以確定驅(qū)動橋滿足電動汽車實(shí)際使用要求。

2.1　最大沖擊工況下的橋殼強(qiáng)度剛度分析

當(dāng)汽車滿載行駛在不平路面受沖擊載荷的極限工況下時(shí)，橋殼除承受汽車自身的滿載重力Ｇ、驅(qū)動電機(jī)和減速器重力Ｇ1作用外，還需承受沖擊載荷的作用。

彈簧鋼板座處受垂直力為：

其中彈簧鋼板座處的沖擊載荷為：

電機(jī)與減速器在沖擊作用下的總載荷為：

式中ｋd為動載荷系數(shù)。

  橋殼不平路面沖擊載荷約束如圖３所示。加載載荷：在彈簧座處施加3.213kN垂直力；在電機(jī)及減速器重心位置施加2.45kN力。約束條件：約束一體化橋殼一端ｘ、ｙ、ｚ 方向的移動及ｘ、ｙ 方向的轉(zhuǎn)動，另一端約束ｘ、ｙ 方向的移動及ｘ、ｙ 方向的轉(zhuǎn)動。

  將不平路面沖擊下的邊界仿真載荷施加在圖２所示的有限元模型上，得到的等效應(yīng)力云圖如圖４所示，

等效位移云圖如圖５所示。

  由圖４可知，驅(qū)動橋橋殼最大應(yīng)力位于半軸套管約束處，最大應(yīng)力234.22MPa，小于40Cr的屈服強(qiáng)度785ＭＰａ。因此，驅(qū)動橋滿足強(qiáng)度要求。

由圖５可知，驅(qū) 動 橋 橋 殼 的 位 移 較 大 區(qū) 域 位 于 兩 板 簧 座 之 間 區(qū) 域 的 電 機(jī) 和 減 速 部 分。最 大 變 形 量0.872mm，位于中間電 機(jī) 和 減速 器 連 接 的 區(qū) 域。每 米 輪 距 變 形 量 0.585mm／ｍ，小 于 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 值1.5ｍｍ／ｍ。因此，該驅(qū)動橋滿足剛度要求。

2.2　最大驅(qū)動力工況下的橋殼強(qiáng)度剛度分析

當(dāng)汽車滿載以最大驅(qū)動力行駛時(shí)，橋殼除承受汽車自身的滿載重力 Ｇ、驅(qū)動電機(jī)和減速器重力 Ｇ１作用外，還要承受電機(jī)驅(qū)動力對橋殼的反扭矩作用。

彈簧鋼板座處受垂直力為：

式中 ｍ″為車橋載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)。

單側(cè)所受旋轉(zhuǎn)反扭矩為：

式中：Ｔｍａｘ為驅(qū)動電機(jī)最大輸出扭矩；ｉ為驅(qū)動后橋減速器傳動比；ηＴ為后橋傳動系統(tǒng)效率。橋殼最大驅(qū)動力工況下的載荷約束如圖６所示，

加載載荷：在彈簧座處施加22.285ｋＮ 垂直力；在電機(jī)和減速器重心位置施加0.98ｋＮ 力；在彈簧座處施加807.225Ｎｍ 扭矩。約束條件：約束橋殼兩端ｘ、ｙ、ｚ 方向的移動及ｙ、ｚ 方向轉(zhuǎn)動。

等效應(yīng)力云圖如圖７所示，等效位移云圖如圖８所示。

由圖７可知，驅(qū)動橋橋殼最大應(yīng)力位于半軸套管約束處，最大應(yīng)力219.25MPa，滿足強(qiáng)度要求。

由圖８可知，橋殼最大變形量0.739ｍｍ，位于左板簧座和凸包之間的區(qū)域；每米輪距變形量0.496ｍｍ／ｍ，滿足剛度要求。

2.3　緊急制動工況下的橋殼強(qiáng)度剛度分析

當(dāng)汽車滿載處于緊急制動極限工況時(shí)，橋殼除承受汽車自身的滿載重力 Ｇ、驅(qū)動電機(jī)和減速器重力 Ｇ１作用外，還要承受地面對車輪的制動力矩。

彈簧鋼板座處受垂直力為：

式中ｋ′ 為汽車制動時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。

制動力矩為：

式中：φ為車輪與地面間的附著系數(shù)，ｒ 為驅(qū)動車輪的滾動半徑。 橋殼緊急制動載荷約束如圖９所示。加載載荷：在彈簧座處施加6.964ｋＮ 垂直力；在電機(jī)及減速器重心位置施加0.98ｋＮ 力；在彈簧座處施加1970.8Ｎｍ 制動力矩。約束條件：約束橋殼兩端ｘ、ｙ、ｚ 方向移動及ｙ、ｚ 方向的轉(zhuǎn)動。

對應(yīng)得到的等效應(yīng)力云圖如圖１０所示，等效位移云圖如圖１１所示。

由圖１０可知，驅(qū)動橋橋殼最大應(yīng)力位于半軸套管約束處，最大應(yīng)力179.4ＭＰａ，滿足強(qiáng)度要求。

由圖１１ 可 知，橋 殼 最 大 變 形 量 為0.901ｍｍ，位 于 在 左 板 簧 座 和 凸 包 之 間；每 米 輪 距 變 形 量 為0.605ｍｍ／ｍ，滿足剛度要求。

2.4　最大側(cè)向力工況下的橋殼強(qiáng)度剛度分析

當(dāng)汽車處于最大側(cè)向力極限工況時(shí)，橋殼除承受汽車自身的滿軸載荷 Ｇ、驅(qū)動電機(jī)和減速器重力 Ｇ１作用外，還要承受側(cè)向力 Ｐ。

汽車驅(qū)動橋的側(cè)滑條件為汽車承受的側(cè)向力大于等于輪胎的側(cè)向附著力，即：

式中：Ｐ 為汽車橋所受的側(cè)向力，此時(shí)最大側(cè)向力 Ｐ＝Ｇ·φ；ＹＬ、ＹＲ分別為地面給左右驅(qū)動車輪的側(cè)向反作用力。

假設(shè)汽車右側(cè)滑移時(shí)，左、右驅(qū)動車輪的支撐反力分別為

式中：Ｈ 為汽車滿軸載荷時(shí)的質(zhì)心高度；Ｂ 為汽車驅(qū)動車輪輪距。

橋殼最大側(cè)向力工況下的載荷約束如圖１２所示。加載載荷：在右側(cè)彈簧座處施加１８．５７１ｋＮ 垂直支撐反力；在電機(jī)及減速器重心位置施加０．９８ｋＮ 力；在右側(cè)彈簧座處施加１８．５７１ｋＮ 右側(cè)向力。約束條件：約束橋殼一端ｘ、ｙ、ｚ 方向的平動及ｚ 方向的轉(zhuǎn)動，另一端約束ｘ、ｙ 方向的平動及ｚ 方向的轉(zhuǎn)動。

將最大側(cè)向力工況下的載荷及約束邊界條件施加到驅(qū)動橋橋殼上，獲得等效應(yīng)力云圖如圖１３所示，等效位移云圖如圖１４所示。

由圖１３可知，橋殼最大應(yīng)力位于軸套管約束處，最大應(yīng)力２０１．９ＭＰａ，滿足強(qiáng)度要求。

由圖１４可知，驅(qū)動橋橋殼的最大變形量1.2469ｍｍ，位于左板簧座和凸包之間的區(qū)域。每米輪距變形量0.837ｍｍ／ｍ，滿足剛度要求。

             未完，待續(xù)

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