新能源車用電驅動橋的設計

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）、驅動半軸、剛性橋殼及輪轂軸承這些關鍵零部件。通過合理的設計優(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，所采用的電驅動橋，是從傳統(tǒng)燃油車的驅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，因此該電驅動橋在國家新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略中屬于過渡技術產(chǎn)品，這種驅動橋稱為第一代電驅動橋（見圖1）。

圖1 第一代電驅動橋

平行軸式結構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動橋的一個子零件，并與電驅動橋的輸出半軸呈平行布置，這種驅動橋稱為第二代電驅動橋（見圖2）。

圖2 第二代電驅動橋

同軸式結構是在第二代電驅動橋基礎上，將電動機與電驅動的輸出半軸做同軸布置，這種驅動橋稱為第三代電驅動橋（見圖3）。

圖3 第三代電驅動橋

還有一種在乘用車基礎上衍變出的產(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。這種驅動橋稱為承載與承受扭分離型電驅動橋（見圖4）。

圖4 承載與承扭分離型電驅動橋

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動橋可減輕電動機質量，降低整車成本，提升整車續(xù)駛里程。其中第二代電驅動橋因其前期投入低、技術易實現(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，全浮式驅動橋較半浮式驅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。電驅動橋相較傳統(tǒng)驅動橋的簧下質量和設計載荷均有所增加，對驅動橋的各項性能要求也更為嚴格。故在此摒棄半浮式驅動橋而優(yōu)選全浮式第二代電驅動橋進行設計。

電驅動橋的設計主要包括以下步驟：

1）整車動力性仿真確定電驅動橋主要設計參數(shù)。

2）減速器齒輪及軸承的布置校核。

3）差速器強度設計校核。

4）半軸強度的設計校核。

5）輪轂軸承的設計校核。

6）剛性橋殼的設計校核。

以表1的整車參數(shù)和設計目標對某電驅動橋進行詳細設計。

表1 某純電動輕客整車參數(shù)及設計目標

電驅動橋的設計開發(fā)

1.整車動力性校核

參考相關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內相關參數(shù)，分別選取第一代和第二代電驅動橋進行動力性計算，計算結果分別見表2和表3。

表2 第一代電驅動橋動力性計算

表3 第二代電驅動橋動力性計算

根據(jù)表2和表3的計算結果，采用同等功率的電動機，第二代電驅動橋將為整車帶來更大的爬坡度、更快的加速時間和更高的傳動效率。同時采用高轉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果，結合所選電動機的外形尺寸，對第二代電驅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，分析結果見表6和表7。

表6 軸承分析結果

表7 齒輪分析結果

3.差速器強度設計校核

根據(jù)上述所選的第二代電驅動橋動力性計算結果，可得到該電驅動橋最大輸出轉矩T。為保證電驅動橋應對快速升扭和其他沖擊工況，在此給定輸出轉矩1.8的后備系數(shù)；結合傳統(tǒng)驅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，滿足設計許用彎曲強度980MPa；行星齒輪軸與齒輪擠壓強度52MPa，滿足設計許用擠壓強度69MPa；行星齒輪軸與差殼擠壓強度41MPa，滿足設計許用擠壓強度69MPa。

匯編基于EXCEL的差速器殼計算表，計算結果見表8。

表8 差速器殼計算結果

4.半軸強度設計校核

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的設計要求。

匯編基于EXCEL的半軸花鍵強度計算表格，計算結果見表9。

表9 半軸花鍵計算結果

5.輪轂軸承設計校核

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，計算結果見表10。

表10 輪轂軸承壽命計算結果

6.剛性橋殼設計校核

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

表11 剛性橋殼計算結果

(續(xù))

結語

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

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