基于电动汽车驱动桥设计及疲劳寿命分析

武瑞华　周占全　邸云龙　秦秀泽　任超

摘要：随着全球能源供应的短缺，石油作为不可再生资源，其价格在不断上涨，能源危机已经成为全球性的问题。新能源技术的应用，已经成为解决能源危机的主要手段，新能源技术可以减少对环境的污染，让电动汽车成为汽车领域未来的发展方向。太阳能电动汽车是一种新型驱动系统的汽车，其与燃油动力系统的传统汽车相比，动力更强，启动、制动的效率更高。但是，电动汽车驱动桥的设计工作直接关系着电动汽车的使用寿命与性能，加强电动汽车驱动桥的设计与研究，提升电动汽车驱动桥设计水平，有利于电动汽车的进一步发展。本文就是对电动汽车驱动桥设计方面的概括性描述，提出驱动桥的设计参数，并对其疲劳寿命加以分析，其目的在于更好的保证设计质量，提高生产效率，进而为促进纯电动汽车领域的发展提供参考。

关键词：电动汽车;驱动桥设计;疲劳寿命

0  引言

有调查表明，我国汽车保有量在2018年就达到了2.4亿，预计在2020年我国汽车的保有量将达到3亿，随着汽车保有量的提升，对石油资源的消费量也会显著提升。石油作为一种不可再生资源，大量使用会严重污染生态环境，目前在我国，雾霾问题的主要原因之一就是由于汽车尾气。汽车的传统动力来源就是燃油，为了减少对石油的使用，必须加强对新能源的应用。因此，纯电动汽车是未来汽车制造业的发展方向，纯电动汽车的研究与推广，可解决如今我国面临的环境污染问题、能源短缺问题。为此我国在2012年也发布了新能源汽车发展规划，提出大力发展新能源电动汽车的战略方针。

1  纯电动汽车电动驱动桥设计的背景与积极效果

1.1 发展背景

在2012年我国就提出了与新能源汽车有关的战略方针，对新能源汽车及相关零部件生产制造给予了经济扶持，同时在2013年也提出了后续的政策，对购买新能源汽车的消费者给予一定的经济补偿。在2017年又出台了许多与新能源汽车有关的政策，召开了以新能源为主题的相关会议。这些政府动态都明确的彰显着我国对新能源汽车的重视性，从国家层面以及消费者利益的层面，都提出了促进新能源汽车发展的举措。另外，纯电动汽车的研发与推广，对汽车的使用费用、尾气排放、燃料利用率都有着积极的效果，具有极高的发展前景。

1.2 积极效果

我国在传统汽车的制造方面落后于发达国家，在传统汽车的制造方面，由于技术水平的不足、起步较晚等方面的影响，至今没有具有受广大消费者一致认可的汽车品牌，在传统汽车方面短期内我国的汽车制造业并不能追赶上发达国家的步伐。但是在纯电动汽车的研发方面，我国的起步并不晚，可以说与发达国家的起点基本相同，凭借多年以来积累的经验以及我国技术工作者的研发能力，在电动汽车领域我们还是能够走在世界的前沿。另外，我国的石油储备量较少，但却是石油消费大国，石油多数都是靠进口得来，为了打破石油对国家发展的限制，我国必须加强纯电动汽车的研究、推广与应用，这样能有效解决我国能源问题，促进国家进一步的发展。

2  电动汽车驱动桥整体结构的介绍

电动汽车驱动桥根据汽车底盘布局的不同，可分为前置驱动桥与后置驱动桥，两种驱动桥具有不同的特点，下面就来具体说明一下：采用前置驱动桥的电动汽车，舒适性更佳，同时汽车散热性能更好，目前我国的电动汽车多为前置驱动桥设计。而采用后置驱动桥的电动汽车，可以拥有更加广阔的驾驶视野，续航能力更加，目前，我国采用后置驱动桥的汽车多为运输用车辆，但后置式驱动桥对零部件的强度要求要高于前置驱动桥结构。

在设计电动汽车驱动桥时，需要考虑到驱动桥的几个主题机构，具体涉及驱动桥的桥壳、减速器、差速器以及驱动轴等部件。①驱动桥壳多采用组合式结构，其分担着电动汽车的总体重量，同时，还对主减速器、差速器以及驱动轴等部件有着固定支撑的作用，驱动桥壳构成的封闭空间内部含有润滑油，对内部机构有着重要的保护作用，密封结构也能避免外部灰尘异物进入桥壳内部，影响内部机构的正常运行，在设计桥壳时，需要根据汽车底盘、悬架等实际情况，调整桥车尺寸、形状等细节。②二级减速器主要是用来降低转速，增加转矩的目的，二级减速器通过轴、轴承、齿轮、箱体组成，能够提升能量的传递效率。③差速器的作用是分配主减速器的输出转矩，让电动车的左右驱动轮分别作出不同转速的转动。④驱动轴是传输动力的主要机构，通过驱动轴连接差速器与驱动轮，轮毂利用螺钉与驱动轴连接，进而完成转矩的传递。

3  驅动桥结构的设计

3.1 驱动桥机构的设计要求

驱动桥整体结构之中，主减速器是重要机构，设计主减速器时必须保证汽车具备较强的动力性，以及对能源的利用效率。对驱动桥的外形设计，要保证各机构的尺寸要小，保持必要的离地间距。在传动齿轮方面，提高齿轮结合精度，减少齿轮噪音，保证各种转速与载荷条件下，较高的传动效率。驱动桥是承载车辆整体重量的重要部位，对其材料的强度、刚度也有较高的要求，必须保证其簧下质量较小，这样可以有效提升车辆的平顺性，加强与悬架之间的运动协调性，同时还要保证驱动桥与转向装置之间的运动协调性。驱动桥的设计，要保证各机构的结构尽量简单，去掉多余部分，不仅可以降低制造难度，也能帮助车辆减重，提升车辆性能。

3.2 驱动桥壳部分的设计

在设计驱动桥壳时，需要根据汽车的整体设计要求，合理选择分离式、整体式、组装式的结构形式。拿组装式结构为例，组装式驱动桥壳具有拆装方便、易于维修的特点。桥壳一侧利用轴承与轮毂支撑连接，另一侧使用螺钉与减速器固定连接。另外，驱动桥壳可能还需要与车架固定，在设计时，需要根据悬架结构以及尺寸，在桥壳外端位置加入凹槽设计便于连接。在装配轴承的一端设计螺纹结构，通过圆螺母的配合固定轴承内圈。在单侧弹簧座的设计中，利用计算公式计算其承载时的极限垂直力，具体公式为Fz=m·g·？啄/2。在计算公式中，m表示驱动桥的满载荷量，最大载荷量通常为1t，g表示重力加速度，重力加速度通常取值为9.8，？啄表示载荷系数，通常取值为2.5。

3.3 减速器的设计

在设计减速器时，要考虑减速器的传动比分配，总传动比为9.15，根据总传动比采取的设计方式为二级圆柱齿轮式减速器，再按照i1=1.4i2的计算公式，i1数值取3.55，i2数值取2.54。在计算运动与动力参数时，要对高速轴、中间轴及低速轴的运动与动力加以计算，高速轴的计算公式如下：。

中間轴的计算公式如下：

3.4 差速器的设计

差速器多采取对称式锥齿轮式结构，差速器安装位置位于驱动桥的半轴之间，差速器的构成组件包括差速器左壳体、右壳体，双十字半轴齿轮、行星齿轮、十字轴组成。动力送至差速器壳体内不厚，带动十字轴转动，十字轴上连接的行星齿轮也会随之转动，行星齿轮与半轴齿轮啮合实现动力的传递，最后通过半轴齿轮将动力传送至半轴，进而实现对驱动轮的驱动。

在设计行星齿轮时，行星齿轮的背面多为球面设计，这样可确保与差速器壳体的匹配性，正面保证与驱动轴齿轮的啮合。由于行星齿轮要与驱动轴齿轮配合完成对锥齿轮的动力输送，动力传递过程中，会沿行星齿轮、驱动轴齿轮的轴线输送轴向作用力，此时，齿轮与差速器壳体之间也会出现相对作用力，如果齿轮与差速器壳体之间摩擦力过大，就会降低差速器使用寿命。因此，在设计时应该在驱动轴齿轮背面与差速器壳体内壁之间设计平垫圈，以达到减少摩擦的效果，而在行星齿轮布置位置的差速器壳体内壁上布置球面垫圈，这样也能起到保护齿轮的作用。通过这种设计，可以延长差速器使用寿命，仅通过更换垫圈的方式就能有效控制齿轮之间的啮合间隙。

3.5 驱动桥控制器的设计

目前纯电动汽车的驱动桥控制器多采用直流电机、交流感应电机、永磁同步电机以及开关磁阻电机这几种电机，不同的电机有不同的优点与缺点，在设计中设计人员必须根据设计需要合理的选择相应类型的电机。具体优缺点见表1。

4  对驱动桥桥壳疲劳寿命的分析

在电动车行驶过程中，会对汽车驱动桥桥壳产生相应的负载，在负载的影响下，驱动桥桥壳使用寿命会缩短，因此，对驱动桥桥壳疲劳寿命的分析工作是设计工作中的重要环节。电动车驱动桥桥壳疲劳寿命的检测方式与传统动力汽车驱动桥桥壳寿命检测方式基本一致，多采用正弦载荷仿真加载模型来实现。测试的最大负荷多选取最大负载轴荷2.5倍数值，最小负载取满载轴荷的0.1倍数值。

分析驱动桥桥壳疲劳寿命的前提为桥壳毛坯材料中出现疲劳裂缝或无法恢复的变形现象，在100次以上的循环疲劳测试中，多会在桥壳易变形位置出现疲劳裂缝。在设计驱动桥时，通过模拟仿真检测软件构建设计的驱动桥桥壳模型，对模型进行疲劳循环测试，测试次数选择110次左右，对桥壳的疲劳寿命进行分析预测，通过模拟检测，可获得电动车驱动桥壳的最低使用寿命，将预测结果与理论疲劳寿命数值标准进行对比，完成对设计方案的检验。通常情况下，电动车驱动桥桥壳的疲劳寿命数值应保持在60.3万次，因此，预测的桥壳最低寿命不得低于理论数值的标准。

5  结束语

综上所述，相比于发达国家，我国电动汽车在驱动桥设计方面还没有明确的国家标准，这也制约着我国新能源电动汽车的发展，我们必须加强对驱动桥设计环节的技术分析，提高设计质量，避免出现设计缺陷，这对提高电动车性能有着重要的意义。

参考文献：

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作者简介：武瑞华（1985-），女，河北保定人，本科，研究方向为汽车设计。