武瑞華　周占全　邸云龍　秦秀澤　任超

摘要：隨著全球能源供應(yīng)的短缺，石油作為不可再生資源，其價(jià)格在不斷上漲，能源危機(jī)已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題。新能源技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)成為解決能源危機(jī)的主要手段，新能源技術(shù)可以減少對(duì)環(huán)境的污染，讓電動(dòng)汽車(chē)成為汽車(chē)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)是一種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的汽車(chē)，其與燃油動(dòng)力系統(tǒng)的傳統(tǒng)汽車(chē)相比，動(dòng)力更強(qiáng)，啟動(dòng)、制動(dòng)的效率更高。但是，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)工作直接關(guān)系著電動(dòng)汽車(chē)的使用壽命與性能，加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)與研究，提升電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)水平，有利于電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展。本文就是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方面的概括性描述，提出驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)其疲勞壽命加以分析，其目的在于更好的保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而為促進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì);疲勞壽命

0? 引言

有調(diào)查表明，我國(guó)汽車(chē)保有量在2018年就達(dá)到了2.4億，預(yù)計(jì)在2020年我國(guó)汽車(chē)的保有量將達(dá)到3億，隨著汽車(chē)保有量的提升，對(duì)石油資源的消費(fèi)量也會(huì)顯著提升。石油作為一種不可再生資源，大量使用會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，目前在我國(guó)，霧霾問(wèn)題的主要原因之一就是由于汽車(chē)尾氣。汽車(chē)的傳統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源就是燃油，為了減少對(duì)石油的使用，必須加強(qiáng)對(duì)新能源的應(yīng)用。因此，純電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展方向，純電動(dòng)汽車(chē)的研究與推廣，可解決如今我國(guó)面臨的環(huán)境污染問(wèn)題、能源短缺問(wèn)題。為此我國(guó)在2012年也發(fā)布了新能源汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃，提出大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)的戰(zhàn)略方針。

1? 純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)的背景與積極效果

1.1 發(fā)展背景

在2012年我國(guó)就提出了與新能源汽車(chē)有關(guān)的戰(zhàn)略方針，對(duì)新能源汽車(chē)及相關(guān)零部件生產(chǎn)制造給予了經(jīng)濟(jì)扶持，同時(shí)在2013年也提出了后續(xù)的政策，對(duì)購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)的消費(fèi)者給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。在2017年又出臺(tái)了許多與新能源汽車(chē)有關(guān)的政策，召開(kāi)了以新能源為主題的相關(guān)會(huì)議。這些政府動(dòng)態(tài)都明確的彰顯著我國(guó)對(duì)新能源汽車(chē)的重視性，從國(guó)家層面以及消費(fèi)者利益的層面，都提出了促進(jìn)新能源汽車(chē)發(fā)展的舉措。另外，純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與推廣，對(duì)汽車(chē)的使用費(fèi)用、尾氣排放、燃料利用率都有著積極的效果，具有極高的發(fā)展前景。

1.2 積極效果

我國(guó)在傳統(tǒng)汽車(chē)的制造方面落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，在傳統(tǒng)汽車(chē)的制造方面，由于技術(shù)水平的不足、起步較晚等方面的影響，至今沒(méi)有具有受廣大消費(fèi)者一致認(rèn)可的汽車(chē)品牌，在傳統(tǒng)汽車(chē)方面短期內(nèi)我國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)并不能追趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐。但是在純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)方面，我國(guó)的起步并不晚，可以說(shuō)與發(fā)達(dá)國(guó)家的起點(diǎn)基本相同，憑借多年以來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)以及我國(guó)技術(shù)工作者的研發(fā)能力，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域我們還是能夠走在世界的前沿。另外，我國(guó)的石油儲(chǔ)備量較少，但卻是石油消費(fèi)大國(guó)，石油多數(shù)都是靠進(jìn)口得來(lái)，為了打破石油對(duì)國(guó)家發(fā)展的限制，我國(guó)必須加強(qiáng)純電動(dòng)汽車(chē)的研究、推廣與應(yīng)用，這樣能有效解決我國(guó)能源問(wèn)題，促進(jìn)國(guó)家進(jìn)一步的發(fā)展。

2? 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋整體結(jié)構(gòu)的介紹

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋根據(jù)汽車(chē)底盤(pán)布局的不同，可分為前置驅(qū)動(dòng)橋與后置驅(qū)動(dòng)橋，兩種驅(qū)動(dòng)橋具有不同的特點(diǎn)，下面就來(lái)具體說(shuō)明一下：采用前置驅(qū)動(dòng)橋的電動(dòng)汽車(chē)，舒適性更佳，同時(shí)汽車(chē)散熱性能更好，目前我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)多為前置驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)。而采用后置驅(qū)動(dòng)橋的電動(dòng)汽車(chē)，可以擁有更加廣闊的駕駛視野，續(xù)航能力更加，目前，我國(guó)采用后置驅(qū)動(dòng)橋的汽車(chē)多為運(yùn)輸用車(chē)輛，但后置式驅(qū)動(dòng)橋?qū)α悴考膹?qiáng)度要求要高于前置驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，需要考慮到驅(qū)動(dòng)橋的幾個(gè)主題機(jī)構(gòu)，具體涉及驅(qū)動(dòng)橋的橋殼、減速器、差速器以及驅(qū)動(dòng)軸等部件。①驅(qū)動(dòng)橋殼多采用組合式結(jié)構(gòu)，其分擔(dān)著電動(dòng)汽車(chē)的總體重量，同時(shí)，還對(duì)主減速器、差速器以及驅(qū)動(dòng)軸等部件有著固定支撐的作用，驅(qū)動(dòng)橋殼構(gòu)成的封閉空間內(nèi)部含有潤(rùn)滑油，對(duì)內(nèi)部機(jī)構(gòu)有著重要的保護(hù)作用，密封結(jié)構(gòu)也能避免外部灰塵異物進(jìn)入橋殼內(nèi)部，影響內(nèi)部機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)橋殼時(shí)，需要根據(jù)汽車(chē)底盤(pán)、懸架等實(shí)際情況，調(diào)整橋車(chē)尺寸、形狀等細(xì)節(jié)。②二級(jí)減速器主要是用來(lái)降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩的目的，二級(jí)減速器通過(guò)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(zhuǎn)矩，讓電動(dòng)車(chē)的左右驅(qū)動(dòng)輪分別作出不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)。④驅(qū)動(dòng)軸是傳輸動(dòng)力的主要機(jī)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸連接差速器與驅(qū)動(dòng)輪，輪轂利用螺釘與驅(qū)動(dòng)軸連接，進(jìn)而完成轉(zhuǎn)矩的傳遞。

3? 驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)橋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

驅(qū)動(dòng)橋整體結(jié)構(gòu)之中，主減速器是重要機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)主減速器時(shí)必須保證汽車(chē)具備較強(qiáng)的動(dòng)力性，以及對(duì)能源的利用效率。對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的外形設(shè)計(jì)，要保證各機(jī)構(gòu)的尺寸要小，保持必要的離地間距。在傳動(dòng)齒輪方面，提高齒輪結(jié)合精度，減少齒輪噪音，保證各種轉(zhuǎn)速與載荷條件下，較高的傳動(dòng)效率。驅(qū)動(dòng)橋是承載車(chē)輛整體重量的重要部位，對(duì)其材料的強(qiáng)度、剛度也有較高的要求，必須保證其簧下質(zhì)量較小，這樣可以有效提升車(chē)輛的平順性，加強(qiáng)與懸架之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，同時(shí)還要保證驅(qū)動(dòng)橋與轉(zhuǎn)向裝置之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)，要保證各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，去掉多余部分，不僅可以降低制造難度，也能幫助車(chē)輛減重，提升車(chē)輛性能。

3.2 驅(qū)動(dòng)橋殼部分的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼時(shí)，需要根據(jù)汽車(chē)的整體設(shè)計(jì)要求，合理選擇分離式、整體式、組裝式的結(jié)構(gòu)形式。拿組裝式結(jié)構(gòu)為例，組裝式驅(qū)動(dòng)橋殼具有拆裝方便、易于維修的特點(diǎn)。橋殼一側(cè)利用軸承與輪轂支撐連接，另一側(cè)使用螺釘與減速器固定連接。另外，驅(qū)動(dòng)橋殼可能還需要與車(chē)架固定，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)以及尺寸，在橋殼外端位置加入凹槽設(shè)計(jì)便于連接。在裝配軸承的一端設(shè)計(jì)螺紋結(jié)構(gòu)，通過(guò)圓螺母的配合固定軸承內(nèi)圈。在單側(cè)彈簧座的設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算公式計(jì)算其承載時(shí)的極限垂直力，具體公式為Fz=m·g·？啄/2。在計(jì)算公式中，m表示驅(qū)動(dòng)橋的滿(mǎn)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(shù)，通常取值為2.5。

3.3 減速器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)減速器時(shí)，要考慮減速器的傳動(dòng)比分配，總傳動(dòng)比為9.15，根據(jù)總傳動(dòng)比采取的設(shè)計(jì)方式為二級(jí)圓柱齒輪式減速器，再按照i1=1.4i2的計(jì)算公式，i1數(shù)值取3.55，i2數(shù)值取2.54。在計(jì)算運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力參數(shù)時(shí)，要對(duì)高速軸、中間軸及低速軸的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力加以計(jì)算，高速軸的計(jì)算公式如下：。

中間軸的計(jì)算公式如下：

3.4 差速器的設(shè)計(jì)

差速器多采取對(duì)稱(chēng)式錐齒輪式結(jié)構(gòu)，差速器安裝位置位于驅(qū)動(dòng)橋的半軸之間，差速器的構(gòu)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(dòng)力送至差速器殼體內(nèi)不厚，帶動(dòng)十字軸轉(zhuǎn)動(dòng)，十字軸上連接的行星齒輪也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪與半軸齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，最后通過(guò)半軸齒輪將動(dòng)力傳送至半軸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)行星齒輪時(shí)，行星齒輪的背面多為球面設(shè)計(jì)，這樣可確保與差速器殼體的匹配性，正面保證與驅(qū)動(dòng)軸齒輪的嚙合。由于行星齒輪要與驅(qū)動(dòng)軸齒輪配合完成對(duì)錐齒輪的動(dòng)力輸送，動(dòng)力傳遞過(guò)程中，會(huì)沿行星齒輪、驅(qū)動(dòng)軸齒輪的軸線(xiàn)輸送軸向作用力，此時(shí)，齒輪與差速器殼體之間也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)作用力，如果齒輪與差速器殼體之間摩擦力過(guò)大，就會(huì)降低差速器使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)軸齒輪背面與差速器殼體內(nèi)壁之間設(shè)計(jì)平墊圈，以達(dá)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(nèi)壁上布置球面墊圈，這樣也能起到保護(hù)齒輪的作用。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以延長(zhǎng)差速器使用壽命，僅通過(guò)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(qū)動(dòng)橋控制器的設(shè)計(jì)

目前純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋控制器多采用直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)這幾種電機(jī)，不同的電機(jī)有不同的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)設(shè)計(jì)需要合理的選擇相應(yīng)類(lèi)型的電機(jī)。具體優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

4? 對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命的分析

在電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中，會(huì)對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)載，在負(fù)載的影響下，驅(qū)動(dòng)橋橋殼使用壽命會(huì)縮短，因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命的分析工作是設(shè)計(jì)工作中的重要環(huán)節(jié)。電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命的檢測(cè)方式與傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼壽命檢測(cè)方式基本一致，多采用正弦載荷仿真加載模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試的最大負(fù)荷多選取最大負(fù)載軸荷2.5倍數(shù)值，最小負(fù)載取滿(mǎn)載軸荷的0.1倍數(shù)值。

分析驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命的前提為橋殼毛坯材料中出現(xiàn)疲勞裂縫或無(wú)法恢復(fù)的變形現(xiàn)象，在100次以上的循環(huán)疲勞測(cè)試中，多會(huì)在橋殼易變形位置出現(xiàn)疲勞裂縫。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，通過(guò)模擬仿真檢測(cè)軟件構(gòu)建設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋橋殼模型，對(duì)模型進(jìn)行疲勞循環(huán)測(cè)試，測(cè)試次數(shù)選擇110次左右，對(duì)橋殼的疲勞壽命進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，通過(guò)模擬檢測(cè)，可獲得電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼的最低使用壽命，將預(yù)測(cè)結(jié)果與理論疲勞壽命數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn)。通常情況下，電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的疲勞壽命數(shù)值應(yīng)保持在60.3萬(wàn)次，因此，預(yù)測(cè)的橋殼最低壽命不得低于理論數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這也制約著我國(guó)新能源電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，我們必須加強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的技術(shù)分析，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，這對(duì)提高電動(dòng)車(chē)性能有著重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：武瑞華（1985-），女，河北保定人，本科，研究方向?yàn)槠?chē)設(shè)計(jì)。