新能源車用電驅(qū)動橋的設(shè)計

黃蘇剛，徐雁超，鄒兵鳳

1.江西江鈴底盤股份有限公司 江西撫州 344000

2.三一重工股份有限公司 湖南長沙 410000

電驅(qū)動橋是新能源汽車的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，有著為整車提供動力、承受負載、降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩和保證左右車輪差速等功能。通常包括電動機、減速器（含差速器、齒輪、軸承）、驅(qū)動半軸、剛性橋殼及輪轂軸承這些關(guān)鍵零部件。通過合理的設(shè)計優(yōu)化及系統(tǒng)可靠的臺架試驗，可實現(xiàn)產(chǎn)品的緊湊化、輕量化、高效率和高壽命。

電驅(qū)動橋的種類

新能源汽車電動機的布置形式可分為電動機直連式、平行軸式和同軸式。

直連式是采用電動機取代燃油車的發(fā)動機和變速器，所采用的電驅(qū)動橋，是從傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動橋上通過加大齒輪速比以及提升齒輪精度衍變而來。因其保留了傳動軸、整車電池布置空間受限，同時受速比最大為7的限制，導致無法采用高速小型化的電動機，因此該電驅(qū)動橋在國家新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略中屬于過渡技術(shù)產(chǎn)品，這種驅(qū)動橋稱為第一代電驅(qū)動橋（見圖1）。

圖1 第一代電驅(qū)動橋

平行軸式結(jié)構(gòu)是采用電動機取代燃油車的發(fā)動機、變速器和傳動軸，將電動機集成為電驅(qū)動橋的一個子零件，并與電驅(qū)動橋的輸出半軸呈平行布置，這種驅(qū)動橋稱為第二代電驅(qū)動橋（見圖2）。

圖2 第二代電驅(qū)動橋

同軸式結(jié)構(gòu)是在第二代電驅(qū)動橋基礎(chǔ)上，將電動機與電驅(qū)動的輸出半軸做同軸布置，這種驅(qū)動橋稱為第三代電驅(qū)動橋（見圖3）。

圖3 第三代電驅(qū)動橋

還有一種在乘用車基礎(chǔ)上衍變出的產(chǎn)品，它也是將電動機軸與輸出半軸呈平行布置，并且將車橋的承載功能獨立出讓剛性橋殼承擔，而減速器配合球籠半軸傳遞扭矩。這種驅(qū)動橋稱為承載與承受扭分離型電驅(qū)動橋（見圖4）。

圖4 承載與承扭分離型電驅(qū)動橋

從目前各整車廠及車橋企業(yè)的研究方向看，第二代以及第三代電驅(qū)動橋可減輕電動機質(zhì)量，降低整車成本，提升整車續(xù)駛里程。其中第二代電驅(qū)動橋因其前期投入低、技術(shù)易實現(xiàn)及性價比高，而備受市場青睞，本文將以實例著重介紹。

眾所周知，全浮式驅(qū)動橋較半浮式驅(qū)動橋有著更好的剛度和更高的承載能力，軸承失效和油封漏油的故障率更低。電驅(qū)動橋相較傳統(tǒng)驅(qū)動橋的簧下質(zhì)量和設(shè)計載荷均有所增加，對驅(qū)動橋的各項性能要求也更為嚴格。故在此摒棄半浮式驅(qū)動橋而優(yōu)選全浮式第二代電驅(qū)動橋進行設(shè)計。

電驅(qū)動橋的設(shè)計主要包括以下步驟：

1）整車動力性仿真確定電驅(qū)動橋主要設(shè)計參數(shù)。

2）減速器齒輪及軸承的布置校核。

3）差速器強度設(shè)計校核。

4）半軸強度的設(shè)計校核。

5）輪轂軸承的設(shè)計校核。

6）剛性橋殼的設(shè)計校核。

以表1的整車參數(shù)和設(shè)計目標對某電驅(qū)動橋進行詳細設(shè)計。

表1 某純電動輕客整車參數(shù)及設(shè)計目標

電驅(qū)動橋的設(shè)計開發(fā)

1.整車動力性校核

參考相關(guān)文獻理論和計算方法[3]，匯編基于EXCEL的整車動力性計算表格。根據(jù)表1內(nèi)相關(guān)參數(shù)，分別選取第一代和第二代電驅(qū)動橋進行動力性計算，計算結(jié)果分別見表2和表3。

表2 第一代電驅(qū)動橋動力性計算

表3 第二代電驅(qū)動橋動力性計算

根據(jù)表2和表3的計算結(jié)果，采用同等功率的電動機，第二代電驅(qū)動橋?qū)檎噹砀蟮呐榔露取⒏斓募铀贂r間和更高的傳動效率。同時采用高轉(zhuǎn)速電動機后省卻傳動軸，便于布置更多的動力電池，提高了整車能量密度及續(xù)駛里程，使電動機重量和整車成本下降。

2.減速器齒輪及軸承的布置校核

根據(jù)表3的整車動力性仿真計算結(jié)果，結(jié)合所選電動機的外形尺寸，對第二代電驅(qū)動橋減速器的齒輪及軸承做如圖5所示布置。通過多次的軟件分析和迭代修正，最終形成的齒輪及軸承參數(shù)見表4和表5。

表4 各軸承參數(shù)

表5 各齒輪參數(shù)

圖5 第二代電驅(qū)動橋減速器齒輪及軸承布置

在最大輸入扭矩工況下對齒輪及軸承強度和壽命進行Romax軟件分析，分析結(jié)果見表6和表7。

表6 軸承分析結(jié)果

表7 齒輪分析結(jié)果

3.差速器強度設(shè)計校核

根據(jù)上述所選的第二代電驅(qū)動橋動力性計算結(jié)果，可得到該電驅(qū)動橋最大輸出轉(zhuǎn)矩T。為保證電驅(qū)動橋應(yīng)對快速升扭和其他沖擊工況，在此給定輸出轉(zhuǎn)矩1.8的后備系數(shù)；結(jié)合傳統(tǒng)驅(qū)動橋所用的差速器承扭能力，按1.8T的承扭能力初選某型差速器總成。

以下分別對半軸行星齒輪及差速器殼強度進行設(shè)計校核。

根據(jù)參考文獻4中的公式，計算得出半軸行星齒輪彎曲強度為742MPa，滿足設(shè)計許用彎曲強度980MPa；行星齒輪軸與齒輪擠壓強度52MPa，滿足設(shè)計許用擠壓強度69MPa；行星齒輪軸與差殼擠壓強度41MPa，滿足設(shè)計許用擠壓強度69MPa。

匯編基于EXCEL的差速器殼計算表，計算結(jié)果見表8。

表8 差速器殼計算結(jié)果

4.半軸強度設(shè)計校核

根據(jù)1.8Tmax的承扭能力初選半軸桿部直徑為φ33.5 mm，計算得到半軸安全系數(shù)為1.83，滿足安全系數(shù)≥1.8的設(shè)計要求。

匯編基于EXCEL的半軸花鍵強度計算表格，計算結(jié)果見表9。

表9 半軸花鍵計算結(jié)果

5.輪轂軸承設(shè)計校核

根據(jù)參考文獻6，匯編基于EXCEL的全浮式后橋輪轂軸承壽命計算表，計算結(jié)果見表10。

表10 輪轂軸承壽命計算結(jié)果

6.剛性橋殼設(shè)計校核

根據(jù)參考文獻6，匯編基于EXCEL的全浮式橋殼強度計算表，計算結(jié)果見表11。

表11 剛性橋殼計算結(jié)果

(續(xù))

結(jié)語

第二代平行軸式及第三代同軸式電驅(qū)動橋均不同程度的在傳統(tǒng)驅(qū)動橋上衍變發(fā)展而來，是當下市場主流產(chǎn)品。

采用平行軸式電驅(qū)動橋可最大限度地借用傳統(tǒng)驅(qū)動橋的剛性橋殼、半軸等相關(guān)資源，前期投入較低、技術(shù)易實現(xiàn)、性價比高，其技術(shù)難點集中在減速器總成的設(shè)計開發(fā)和相關(guān)臺架試驗上。采用第三代同軸式電驅(qū)動橋需將電動機作為承載件而借用不了傳統(tǒng)驅(qū)動橋的剛性橋殼和半軸，開發(fā)高速中空電動機以及行星排齒輪的技術(shù)難度高、性價比低，然而高集成度和簧下質(zhì)量輕的特性使它必然會成為電驅(qū)動橋的最終發(fā)展方向，推動汽車工業(yè)快速發(fā)展。