基于電動汽車驅動橋設計及疲勞壽命分析

武瑞華　周占全　邸云龍　秦秀澤　任超

摘要：隨著全球能源供應的短缺，石油作為不可再生資源，其價格在不斷上漲，能源危機已經成為全球性的問題。新能源技術的應用，已經成為解決能源危機的主要手段，新能源技術可以減少對環境的污染，讓電動汽車成為汽車領域未來的發展方向。太陽能電動汽車是一種新型驅動系統的汽車，其與燃油動力系統的傳統汽車相比，動力更強，啟動、制動的效率更高。但是，電動汽車驅動橋的設計工作直接關系著電動汽車的使用壽命與性能，加強電動汽車驅動橋的設計與研究，提升電動汽車驅動橋設計水平，有利于電動汽車的進一步發展。本文就是對電動汽車驅動橋設計方面的概括性描述，提出驅動橋的設計參數，并對其疲勞壽命加以分析，其目的在于更好的保證設計質量，提高生產效率，進而為促進純電動汽車領域的發展提供參考。

關鍵詞：電動汽車;驅動橋設計;疲勞壽命

0? 引言

有調查表明，我國汽車保有量在2018年就達到了2.4億，預計在2020年我國汽車的保有量將達到3億，隨著汽車保有量的提升，對石油資源的消費量也會顯著提升。石油作為一種不可再生資源，大量使用會嚴重污染生態環境，目前在我國，霧霾問題的主要原因之一就是由于汽車尾氣。汽車的傳統動力來源就是燃油，為了減少對石油的使用，必須加強對新能源的應用。因此，純電動汽車是未來汽車制造業的發展方向，純電動汽車的研究與推廣，可解決如今我國面臨的環境污染問題、能源短缺問題。為此我國在2012年也發布了新能源汽車發展規劃，提出大力發展新能源電動汽車的戰略方針。

1? 純電動汽車電動驅動橋設計的背景與積極效果

1.1 發展背景

在2012年我國就提出了與新能源汽車有關的戰略方針，對新能源汽車及相關零部件生產制造給予了經濟扶持，同時在2013年也提出了后續的政策，對購買新能源汽車的消費者給予一定的經濟補償。在2017年又出臺了許多與新能源汽車有關的政策，召開了以新能源為主題的相關會議。這些政府動態都明確的彰顯著我國對新能源汽車的重視性，從國家層面以及消費者利益的層面，都提出了促進新能源汽車發展的舉措。另外，純電動汽車的研發與推廣，對汽車的使用費用、尾氣排放、燃料利用率都有著積極的效果，具有極高的發展前景。

1.2 積極效果

我國在傳統汽車的制造方面落后于發達國家，在傳統汽車的制造方面，由于技術水平的不足、起步較晚等方面的影響，至今沒有具有受廣大消費者一致認可的汽車品牌，在傳統汽車方面短期內我國的汽車制造業并不能追趕上發達國家的步伐。但是在純電動汽車的研發方面，我國的起步并不晚，可以說與發達國家的起點基本相同，憑借多年以來積累的經驗以及我國技術工作者的研發能力，在電動汽車領域我們還是能夠走在世界的前沿。另外，我國的石油儲備量較少，但卻是石油消費大國，石油多數都是靠進口得來，為了打破石油對國家發展的限制，我國必須加強純電動汽車的研究、推廣與應用，這樣能有效解決我國能源問題，促進國家進一步的發展。

2? 電動汽車驅動橋整體結構的介紹

電動汽車驅動橋根據汽車底盤布局的不同，可分為前置驅動橋與后置驅動橋，兩種驅動橋具有不同的特點，下面就來具體說明一下：采用前置驅動橋的電動汽車，舒適性更佳，同時汽車散熱性能更好，目前我國的電動汽車多為前置驅動橋設計。而采用后置驅動橋的電動汽車，可以擁有更加廣闊的駕駛視野，續航能力更加，目前，我國采用后置驅動橋的汽車多為運輸用車輛，但后置式驅動橋對零部件的強度要求要高于前置驅動橋結構。

在設計電動汽車驅動橋時，需要考慮到驅動橋的幾個主題機構，具體涉及驅動橋的橋殼、減速器、差速器以及驅動軸等部件。①驅動橋殼多采用組合式結構，其分擔著電動汽車的總體重量，同時，還對主減速器、差速器以及驅動軸等部件有著固定支撐的作用，驅動橋殼構成的封閉空間內部含有潤滑油，對內部機構有著重要的保護作用，密封結構也能避免外部灰塵異物進入橋殼內部，影響內部機構的正常運行，在設計橋殼時，需要根據汽車底盤、懸架等實際情況，調整橋車尺寸、形狀等細節。②二級減速器主要是用來降低轉速，增加轉矩的目的，二級減速器通過軸、軸承、齒輪、箱體組成，能夠提升能量的傳遞效率。③差速器的作用是分配主減速器的輸出轉矩，讓電動車的左右驅動輪分別作出不同轉速的轉動。④驅動軸是傳輸動力的主要機構，通過驅動軸連接差速器與驅動輪，輪轂利用螺釘與驅動軸連接，進而完成轉矩的傳遞。

3? 驅動橋結構的設計

3.1 驅動橋機構的設計要求

驅動橋整體結構之中，主減速器是重要機構，設計主減速器時必須保證汽車具備較強的動力性，以及對能源的利用效率。對驅動橋的外形設計，要保證各機構的尺寸要小，保持必要的離地間距。在傳動齒輪方面，提高齒輪結合精度，減少齒輪噪音，保證各種轉速與載荷條件下，較高的傳動效率。驅動橋是承載車輛整體重量的重要部位，對其材料的強度、剛度也有較高的要求，必須保證其簧下質量較小，這樣可以有效提升車輛的平順性，加強與懸架之間的運動協調性，同時還要保證驅動橋與轉向裝置之間的運動協調性。驅動橋的設計，要保證各機構的結構盡量簡單，去掉多余部分，不僅可以降低制造難度，也能幫助車輛減重，提升車輛性能。

3.2 驅動橋殼部分的設計

在設計驅動橋殼時，需要根據汽車的整體設計要求，合理選擇分離式、整體式、組裝式的結構形式。拿組裝式結構為例，組裝式驅動橋殼具有拆裝方便、易于維修的特點。橋殼一側利用軸承與輪轂支撐連接，另一側使用螺釘與減速器固定連接。另外，驅動橋殼可能還需要與車架固定，在設計時，需要根據懸架結構以及尺寸，在橋殼外端位置加入凹槽設計便于連接。在裝配軸承的一端設計螺紋結構，通過圓螺母的配合固定軸承內圈。在單側彈簧座的設計中，利用計算公式計算其承載時的極限垂直力，具體公式為Fz=m·g·？啄/2。在計算公式中，m表示驅動橋的滿載荷量，最大載荷量通常為1t，g表示重力加速度，重力加速度通常取值為9.8，？啄表示載荷系數，通常取值為2.5。

3.3 減速器的設計

在設計減速器時，要考慮減速器的傳動比分配，總傳動比為9.15，根據總傳動比采取的設計方式為二級圓柱齒輪式減速器，再按照i1=1.4i2的計算公式，i1數值取3.55，i2數值取2.54。在計算運動與動力參數時，要對高速軸、中間軸及低速軸的運動與動力加以計算，高速軸的計算公式如下：。

中間軸的計算公式如下：

3.4 差速器的設計

差速器多采取對稱式錐齒輪式結構，差速器安裝位置位于驅動橋的半軸之間，差速器的構成組件包括差速器左殼體、右殼體，雙十字半軸齒輪、行星齒輪、十字軸組成。動力送至差速器殼體內不厚，帶動十字軸轉動，十字軸上連接的行星齒輪也會隨之轉動，行星齒輪與半軸齒輪嚙合實現動力的傳遞，最后通過半軸齒輪將動力傳送至半軸，進而實現對驅動輪的驅動。

在設計行星齒輪時，行星齒輪的背面多為球面設計，這樣可確保與差速器殼體的匹配性，正面保證與驅動軸齒輪的嚙合。由于行星齒輪要與驅動軸齒輪配合完成對錐齒輪的動力輸送，動力傳遞過程中，會沿行星齒輪、驅動軸齒輪的軸線輸送軸向作用力，此時，齒輪與差速器殼體之間也會出現相對作用力，如果齒輪與差速器殼體之間摩擦力過大，就會降低差速器使用壽命。因此，在設計時應該在驅動軸齒輪背面與差速器殼體內壁之間設計平墊圈，以達到減少摩擦的效果，而在行星齒輪布置位置的差速器殼體內壁上布置球面墊圈，這樣也能起到保護齒輪的作用。通過這種設計，可以延長差速器使用壽命，僅通過更換墊圈的方式就能有效控制齒輪之間的嚙合間隙。

3.5 驅動橋控制器的設計

目前純電動汽車的驅動橋控制器多采用直流電機、交流感應電機、永磁同步電機以及開關磁阻電機這幾種電機，不同的電機有不同的優點與缺點，在設計中設計人員必須根據設計需要合理的選擇相應類型的電機。具體優缺點見表1。

4? 對驅動橋橋殼疲勞壽命的分析

在電動車行駛過程中，會對汽車驅動橋橋殼產生相應的負載，在負載的影響下，驅動橋橋殼使用壽命會縮短，因此，對驅動橋橋殼疲勞壽命的分析工作是設計工作中的重要環節。電動車驅動橋橋殼疲勞壽命的檢測方式與傳統動力汽車驅動橋橋殼壽命檢測方式基本一致，多采用正弦載荷仿真加載模型來實現。測試的最大負荷多選取最大負載軸荷2.5倍數值，最小負載取滿載軸荷的0.1倍數值。

分析驅動橋橋殼疲勞壽命的前提為橋殼毛坯材料中出現疲勞裂縫或無法恢復的變形現象，在100次以上的循環疲勞測試中，多會在橋殼易變形位置出現疲勞裂縫。在設計驅動橋時，通過模擬仿真檢測軟件構建設計的驅動橋橋殼模型，對模型進行疲勞循環測試，測試次數選擇110次左右，對橋殼的疲勞壽命進行分析預測，通過模擬檢測，可獲得電動車驅動橋殼的最低使用壽命，將預測結果與理論疲勞壽命數值標準進行對比，完成對設計方案的檢驗。通常情況下，電動車驅動橋橋殼的疲勞壽命數值應保持在60.3萬次，因此，預測的橋殼最低壽命不得低于理論數值的標準。

5? 結束語

綜上所述，相比于發達國家，我國電動汽車在驅動橋設計方面還沒有明確的國家標準，這也制約著我國新能源電動汽車的發展，我們必須加強對驅動橋設計環節的技術分析，提高設計質量，避免出現設計缺陷，這對提高電動車性能有著重要的意義。

參考文獻：

[1]林利紅，李雨龍，李聰波，趙來杰.純電動汽車驅動橋的輕量化設計[J].重慶大學學報，2019，42（04）：17-28.

[2]孫允璞，趙永強，柴新寧.基于FSPMM的直驅型純電動汽車驅動橋設計[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2017，33（04）：47-53.

[3]新能源汽車純電驅動技術路線、政策導向及市場需求分析[J].變頻器世界，2018（04）：59-61.

[4]張爽，陳長征. 純電動汽車驅動橋模態分析[J].機械工程師，2018（11）：27-29.

————————————

作者簡介：武瑞華（1985-），女，河北保定人，本科，研究方向為汽車設計。