新能源車用電驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)
2022-8-30 來(lái)源： 江西江鈴底盤股份有限公司 作者： 黃蘇剛 鄒兵鳳
摘要：隨著新能源汽車電動(dòng)化步伐的加快，且電驅(qū)動(dòng)橋具備高集成度、低成本、高傳動(dòng)效率和輕量化等諸多優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)將逐漸被電驅(qū)動(dòng)橋取代。本文先后介紹新能源汽車用電驅(qū)動(dòng)橋的種類和設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)列舉實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)過程加以說(shuō)明，為汽車相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒。
關(guān)鍵詞 : 新能源汽車 ; 電驅(qū)動(dòng)橋 ; 齒輪 ;軸承 ; 設(shè)計(jì)
電驅(qū)動(dòng)橋是新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，有著為整車提供動(dòng)力、承受負(fù)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(dòng)機(jī)、減速器（含差速器、齒輪、軸承）、驅(qū)動(dòng)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(jì)優(yōu)化及系統(tǒng)可靠的臺(tái)架試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的緊湊化、輕量化、高效率和高壽命。
電驅(qū)動(dòng)橋的種類
新能源汽車電動(dòng)機(jī)的布置形式可分為電動(dòng)機(jī)直連式、平行軸式和同軸式。直連式是采用電動(dòng)機(jī)取代燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，所采用的電驅(qū)動(dòng)橋，是從傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動(dòng)橋上通過加大齒輪速比以及提升齒輪精度衍變而來(lái)。因其保留了傳動(dòng)軸、整車電池布置空間受限，同時(shí)受速比最大為 7 的限制，導(dǎo)致無(wú)法采用高速小型化的電動(dòng)機(jī)，因此該電驅(qū)動(dòng)橋在國(guó)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(dòng)橋稱為第一代電驅(qū)動(dòng)橋（見圖 1）。
圖 1 第一代電驅(qū)動(dòng)橋
平行軸式結(jié)構(gòu)是采用電動(dòng)機(jī)取代燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和傳動(dòng)軸，將電動(dòng)機(jī)集成為電驅(qū)動(dòng)橋的一個(gè)子零件，并與電驅(qū)動(dòng)橋的輸出半軸呈平行布置，這種驅(qū)動(dòng)橋稱為第二代電驅(qū)動(dòng)橋（見圖2）。
圖 2 第二代電驅(qū)動(dòng)橋
同軸式結(jié)構(gòu)是在第二代電驅(qū)動(dòng)橋基礎(chǔ)上，將電動(dòng)機(jī)與電驅(qū)動(dòng)的輸出半軸做同軸布置，這種驅(qū)動(dòng)橋稱為第三代電驅(qū)動(dòng)橋（見圖 3）。
圖 3 第三代電驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)軸與輸出半軸呈平行布置，并且將車橋的承載功能獨(dú)立出讓剛性橋殼承擔(dān)，而減速器配合球籠半軸傳遞扭矩。這種驅(qū)動(dòng)橋稱為承載與承受扭分離型電驅(qū)動(dòng)橋（見圖 4）。
圖 4 承載與承扭分離型電驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋可減輕電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，降低整車成本，提升整車?yán)m(xù)駛里程。其中第二代電驅(qū)動(dòng)橋因其前期投入低、技術(shù)易實(shí)現(xiàn)及性價(jià)比高，而備受市場(chǎng)青睞，本文將以實(shí)例著重介紹。
眾所周知，全浮式驅(qū)動(dòng)橋較半浮式驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋相較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋的簧下質(zhì)量和設(shè)計(jì)載荷均有所增加，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的各項(xiàng)性能要求也更為嚴(yán)格。故在此摒棄半浮式驅(qū)動(dòng)橋而優(yōu)選全浮式第二代電驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行設(shè)計(jì)。
電驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)主要包括以下步驟 :
1）整車動(dòng)力性仿真確定電驅(qū)動(dòng)橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
2）減速器齒輪及軸承的布置校核。
3）差速器強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核。
4）半軸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)校核。
5）輪轂軸承的設(shè)計(jì)校核。
6）剛性橋殼的設(shè)計(jì)校核。
以表 1 的整車參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)某電驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
電驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)開發(fā)
1.整車動(dòng)力性校核
參考相關(guān)文獻(xiàn)理論和計(jì)算方法，匯編基于EXCEL 的整車動(dòng)力性計(jì)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(dòng)橋進(jìn)行動(dòng)力性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見表 2 和表 3。
表 1 某純電動(dòng)輕客整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)
表 2 第一代電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力性計(jì)算
表 3 第二代電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力性計(jì)算
根據(jù)表 2 和表 3 的計(jì)算結(jié)果，采用同等功率的電動(dòng)機(jī)，第二代電驅(qū)動(dòng)橋?qū)檎噹?lái)更大的爬坡度、更快的加速時(shí)間和更高的傳動(dòng)效率。同時(shí)采用高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)后省卻傳動(dòng)軸，便于布置更多的動(dòng)力電池，提高了整車能量密度及續(xù)駛里程，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)力性仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合所選電動(dòng)機(jī)的外形尺寸，對(duì)第二代電驅(qū)動(dòng)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。
圖 5 第二代電驅(qū)動(dòng)橋減速器齒輪及軸承布置
表 4 各軸承參數(shù)
表 5 各齒輪參數(shù)
在最大輸入扭矩工況下對(duì)齒輪及軸承強(qiáng)度和壽命進(jìn)行 Romax 軟件分析，分析結(jié)果見表 6 和表 7。
3.差速器強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核
根據(jù)上述所選的第二代電驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力性計(jì)算結(jié)果，可得到該電驅(qū)動(dòng)橋最大輸出轉(zhuǎn)矩 T。為保證電驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)對(duì)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(dòng)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。
表 6 軸承分析結(jié)果
表 7 齒輪分析結(jié)果
結(jié)語(yǔ)
第二代平行軸式及第三代同軸式電驅(qū)動(dòng)橋均不同程度的在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋上衍變發(fā)展而來(lái)，是當(dāng)下市場(chǎng)主流產(chǎn)品。
采用平行軸式電驅(qū)動(dòng)橋可最大限度地借用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高，其技術(shù)難點(diǎn)集中在減速器總成的設(shè)計(jì)開發(fā)和相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)上。采用第三代同軸式電驅(qū)動(dòng)橋需將電動(dòng)機(jī)作為承載件而借用不了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋的剛性橋殼和半軸，開發(fā)高速中空電動(dòng)機(jī)以及行星排齒輪的技術(shù)難度高、性價(jià)比低，然而高集成度和簧下質(zhì)量輕的特性使它必然會(huì)成為電驅(qū)動(dòng)橋的最終發(fā)展方向，推動(dòng)汽車工業(yè)快速發(fā)展。
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