電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出軸的模態(tài)分析＊

張坤，魏東坡，尹文榮，魏代禮，方玉娟

（山東華宇工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

電動(dòng)汽車作為新型的環(huán)保交通工具，其研發(fā)和推廣不僅對(duì)緩解世界能源危機(jī)以及環(huán)境問(wèn)題起著重要的作用，對(duì)于我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及我國(guó)汽車行業(yè)在國(guó)際上的地位也有著及其重要的意義。電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力是其關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和升級(jí)，在目前電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，市場(chǎng)保有量迅速擴(kuò)大的情況下，電動(dòng)汽車及其部件的可靠性提升也成為越來(lái)越重要的研究方向。其中傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件——?jiǎng)恿敵霾课坏幕ㄦI連接裝置的可靠性成為制約電動(dòng)車整車壽命的重要因素[1][2]。本文針對(duì)某純電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中長(zhǎng)期出現(xiàn)的電機(jī)輸出軸花鍵損壞問(wèn)題，利用計(jì)算模態(tài)分析方法，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1 建立模型

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)車在電機(jī)動(dòng)力部位的連接上普遍采用傳統(tǒng)形式的花鍵軸和花鍵套，如圖1所示為某款電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出連接結(jié)構(gòu)，其輸出部位主要參數(shù)如表1所示。利用Pro/E軟件建立的該連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化三維模型如圖2所示。

圖1 電機(jī)輸出軸花鍵實(shí)物圖

表1 電機(jī)輸出軸參數(shù)

圖2 電機(jī)動(dòng)力輸出花鍵連接模型

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

將該結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入到Ansys Workbench軟件中，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為 0.5mm，網(wǎng)格劃分后如圖 3所示。根據(jù)花鍵軸及軸套的實(shí)際運(yùn)行工況，在軸及軸套支撐軸承處施加三個(gè)軸向位移約束和旋轉(zhuǎn)約束，在配合部位施加旋轉(zhuǎn)約束[3][4]，如圖4所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分效果圖

圖4 模型施加約束示意圖

分析得到該結(jié)構(gòu)前六階振型，根據(jù)分析結(jié)果，與實(shí)際花鍵損壞故障相關(guān)的變形為第1、2階振型，如圖5所示。因此著重對(duì)該結(jié)構(gòu)的1、2階振型進(jìn)行分析優(yōu)化，振動(dòng)特性參數(shù)如表2所示。

圖5 第1、2階振型

在第1階和第2階頻率下花鍵結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了在繞y軸的彎曲變形，該彎曲振動(dòng)變形主要位于花鍵軸和花鍵軸套的嚙合處，導(dǎo)致嚙合處的徑向變形與疲勞，是造成連接結(jié)構(gòu)花鍵齒損壞失效的主要原因之一。

表2 第1、2階振動(dòng)特性參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由以上分析可知，工作過(guò)程中應(yīng)盡可能的避免或減少花鍵軸和花鍵套連接結(jié)構(gòu)在高頻振動(dòng)下工作時(shí)間，并且應(yīng)該提高裝配體直徑尺寸最小的軸的強(qiáng)度，避免在高頻下發(fā)生健齒斷裂等嚴(yán)重的失效形式。但一般電動(dòng)汽車電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由減速器、差速器和行星齒輪造成的局部中頻振動(dòng)頻率范圍一般在10～100Hz[5]，該范圍在中低頻振動(dòng)內(nèi)范圍較廣，因此優(yōu)化目標(biāo)是適當(dāng)提高連接結(jié)構(gòu)的1、2階自振頻率，但也不宜提高過(guò)多，以避開(kāi)電機(jī)高頻振動(dòng)頻率范圍 200～2000Hz。優(yōu)化后新的結(jié)構(gòu)在花鍵軸上取消了階梯軸，保證高頻率下的動(dòng)力輸出過(guò)程花鍵軸的整體強(qiáng)度；軸材質(zhì)選用40Cr，有效利用40Cr的優(yōu)異的綜合性能，以保證花鍵鍵齒的強(qiáng)度。

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到振動(dòng)特性參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)第1、2階振動(dòng)特性參數(shù)

4 結(jié)論

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)前兩階振型頻率分別提高到136.87Hz、157.41Hz，基本避開(kāi)由減速器、差速器和行星齒輪造成的局部中頻振動(dòng)，能夠達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的基本目標(biāo)。

研究證明，考慮系統(tǒng)振動(dòng)的影響，利用計(jì)算模態(tài)分析方法對(duì)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以在設(shè)計(jì)階段有效提高結(jié)構(gòu)的可靠性，節(jié)省樣件試制和試驗(yàn)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期和成本，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的使用壽命。