一種汽車后橋輔助動力系統設計與有限元分析

宋泓炎,彭一雯,張玉飛,王可新,崔有正,唐耀偉

(齊齊哈爾大學 機電工程學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引言

近年來，伴隨著全球石油礦產資源的過度開采而造成的能源枯竭，化石能源的燃燒造成的大氣污染問題日益嚴重，危害人民生命財產安全，于是，世界各國紛紛呼吁人們健康綠色出行[1]。各國車企爭先加大新能源汽車的研發力度，致力于在節約能源方面實現突破，通過采用電力驅動來代替引擎驅動，達到能源轉型。現有研究方向首先是以純電池組供能，但單一動力源的動力欠佳且持續供能性較差，能量耗盡前，必須提前尋找充電站或更換新的電池單元，因此限制了汽車續航里程[2]。其次是采用混合動力系統供能，雖然有效解決了單一動力源的供能短缺問題，但是由于裝載兩套動力系統及其對應的管理控制元件，造成結構復雜，技術較難，價格較高的問題。因此，針對單一的引擎驅動易造成動力不足，傳統的電動汽車又不得不考慮停車充電及混合動力汽車技術不完善等問題，現旨在設計一種附帶能量內循環功能的汽車后橋輔助動力系統[3]。

1 設計理念概述

該創新設計的設計理念是對現有電動汽車的不足進行改進，創新性地改變傳統汽車的驅動方式，通過電力驅動為輔助動力與引擎相結合，額外提供22.06～36.77 kW動力，可彌補動力不足問題，當依靠引擎驅動時，發電機能為電瓶充電，實現能量回收利用，提高了內燃機的工作效率，當依靠輔助動力驅動時，可起到節約能源的效果，適于普遍生產使用[4]。

2 系統結構示意圖及工作流程設計

2.1 系統結構示意圖

汽車后端電機輔助動力系統結構如圖1所示，主要由連接輪盤、萬向球、電動機、發電機、懸掛底盤、制動鉗組件、輪轂、剎車盤、軸承、萬向軸、行星輪系等組成。

1.連接輪盤；2.萬向球；3.電動機；4.發電機；5.懸掛底盤；6.制動鉗組件；7.輪轂；8.剎車盤；9.萬向軸；10.軸承；11.行星輪系

2.2 工作流程設計

汽車后端電機輔助動力系統工作流程如圖2所示，能量回收系統如圖3所示。

圖2 工作流程

1.電動機；2.V帶；3.發電機

1)當裝有汽車后端電機輔助動力系統的車輛起步或遇到上坡路段時，電動機通過萬向軸傳遞扭矩，助力汽車順暢運行，提高駕駛體驗和舒適度。

2)當裝有汽車后端電機輔助動力系統的車輛運行時，輪轂通過萬向軸帶動發電機發電，實現能源回收[5]。

3)當裝有汽車后端電機輔助動力系統的車輛需要剎車時，汽車后端電機輔助動力系統的制動鉗組件通過液壓控制兩邊摩擦片夾緊剎車盤實現剎車功能。

2.3 行星輪結構有限元分析

采用SolidWorks集成的 Simulation模塊對行星輪系結構進行有限元分析,分析內容包括等效應力分析、等效應變分析及總形變分析[6]。

2.3.1 等效應力分析

經過等效應力分析,此輪系應力最大值95.78 MPa，主要集中在兩齒輪嚙合接觸處。齒輪嚙合接觸處的等效應力最大值小于普通碳鋼的屈服極限220 MPa，滿足行星齒輪強度要求，如圖4所示。

圖4 應力分布云圖

2.3.2 等效應變分析

經過等效應變分析，此輪系應變最大值2.35e-5 mm/mm，主要集中在兩齒面接觸嚙合處。齒面接觸嚙合處等效應變數值很小，齒輪材料能夠滿足行星齒輪對應變的要求，如圖5所示。

圖5 應變分布云圖

2.3.3 總形變分析

經過總形變分析，此輪系最大整體變形量為0.019 43 mm，變形主要發生在齒面接觸嚙合處，變形量較小，基本符合齒輪嚙合的理論變形趨勢，滿足行星齒輪的強度和剛度要求，如圖6所示。

圖6 總形變分布云圖

3 創新理念

3.1 工作原理的創新

該設計的輔助動力系統裝置與傳統電動汽車能量回收工作原理大相徑庭，二者有著本質的區別。前者的能量輸出階段由電動機傳輸扭矩，通過萬向傳動軸傳遞至行星輪系的太陽輪，再由太陽輪均勻降扭矩傳遞到三個行星輪，從而降低激變力矩對于傳動部件的磨損，能量回收階段的實現是由輪轂轉動通過傳動軸，帶動軸上安裝的發電機轉子旋轉發電，以此實現充放電一體化[7]；后者的工作原理是動力源產生的動力經過傳動軸傳輸到輪轂，驅動輪轂轉動，使車輛前行，僅在汽車滑行或剎車制動時，能量回收系統才能生效，實現能量回收。

3.2 輔助動力系統安裝位置的創新

前驅汽車主要且唯一的動力來源為安裝在前橋的發動機，后橋則無動力來源，而車輛行駛的原理是發動機啟動，隨之產生扭矩，而發動機直接安裝在車輛的前橋上，發動機通過傳動系統將產生的扭矩傳輸到執行系統，由執行系統驅動輪轂，進而前橋輪轂轉動，驅動車輛行駛前進，由于后橋無動力源，致使車輛出現動力不足、頓挫等問題。針對上述問題，摒棄傳統的設計觀念巧妙地將輔助動力系統裝置安裝在車輛后橋上，作為后橋的輸出動力源，其輔助動力系統裝置與前橋發動機驅動的工作原理相類似。其工作原理為電動機通電，工作運行產生扭矩，通過傳動軸把扭矩傳遞到行星輪系中，隨后行星輪系驅動車輛后橋輪轂旋轉，進而使車輛行駛前進。安裝在車輛后橋上的輔助動力系統裝置，作為額外動力源，同時車輛前橋上的發動機作為主動力源，二者相結合，從而普通兩驅車變為四驅車，市場中現有的四驅車與該設計理念下的四驅車有所不同，前者是在車輛原有發動機基礎上，通過加裝傳動軸，使之變為四驅，由于發動機的功率是定值，因此，無論是兩驅還是四驅，整車的輸出動力不變，并不能提供額外的動力。而該設計通過增加額外動力源，使之轉變為四驅，相當于兩個發動機輸出動力，因此能夠提供額外的動力，給予駕駛員更加優異的駕駛體驗[8]。

4 結語

汽車后端電機輔助動力系統融合混合動力汽車的設計理念，通過在汽車后橋安裝輔助動力系統，利用行星輪系和萬向軸作為復合傳動裝置，創新性地改變傳統汽車的驅動方式，通過電力驅動為輔助動力與引擎相結合，提供額外動力，可彌補動力不足問題。當依靠引擎驅動時，能為電瓶反向充電，實現能量回收，提高內燃機的工作效率，可起到節約能源的效果，為汽車提供額外動力，同時安裝發電機，實現了能源回收再利用，達到更高的能量利用效率，能有效解決當下石油能源過度燃燒和大氣污染問題，達到節能減排的最終目標，具有廣闊的市場前景與應用價值。