一种汽车后桥辅助动力系统设计与有限元分析

宋泓炎,彭一雯,张玉飞,王可新,崔有正,唐耀伟

(齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)

0 引言

近年来，伴随着全球石油矿产资源的过度开采而造成的能源枯竭，化石能源的燃烧造成的大气污染问题日益严重，危害人民生命财产安全，于是，世界各国纷纷呼吁人们健康绿色出行[1]。各国车企争先加大新能源汽车的研发力度，致力于在节约能源方面实现突破，通过采用电力驱动来代替引擎驱动，达到能源转型。现有研究方向首先是以纯电池组供能，但单一动力源的动力欠佳且持续供能性较差，能量耗尽前，必须提前寻找充电站或更换新的电池单元，因此限制了汽车续航里程[2]。其次是采用混合动力系统供能，虽然有效解决了单一动力源的供能短缺问题，但是由于装载两套动力系统及其对应的管理控制元件，造成结构复杂，技术较难，价格较高的问题。因此，针对单一的引擎驱动易造成动力不足，传统的电动汽车又不得不考虑停车充电及混合动力汽车技术不完善等问题，现旨在设计一种附带能量内循环功能的汽车后桥辅助动力系统[3]。

1 设计理念概述

该创新设计的设计理念是对现有电动汽车的不足进行改进，创新性地改变传统汽车的驱动方式，通过电力驱动为辅助动力与引擎相结合，额外提供22.06～36.77 kW动力，可弥补动力不足问题，当依靠引擎驱动时，发电机能为电瓶充电，实现能量回收利用，提高了内燃机的工作效率，当依靠辅助动力驱动时，可起到节约能源的效果，适于普遍生产使用[4]。

2 系统结构示意图及工作流程设计

2.1 系统结构示意图

汽车后端电机辅助动力系统结构如图1所示，主要由连接轮盘、万向球、电动机、发电机、悬挂底盘、制动钳组件、轮毂、刹车盘、轴承、万向轴、行星轮系等组成。

1.连接轮盘；2.万向球；3.电动机；4.发电机；5.悬挂底盘；6.制动钳组件；7.轮毂；8.刹车盘；9.万向轴；10.轴承；11.行星轮系

2.2 工作流程设计

汽车后端电机辅助动力系统工作流程如图2所示，能量回收系统如图3所示。

图2 工作流程

1.电动机；2.V带；3.发电机

1)当装有汽车后端电机辅助动力系统的车辆起步或遇到上坡路段时，电动机通过万向轴传递扭矩，助力汽车顺畅运行，提高驾驶体验和舒适度。

2)当装有汽车后端电机辅助动力系统的车辆运行时，轮毂通过万向轴带动发电机发电，实现能源回收[5]。

3)当装有汽车后端电机辅助动力系统的车辆需要刹车时，汽车后端电机辅助动力系统的制动钳组件通过液压控制两边摩擦片夹紧刹车盘实现刹车功能。

2.3 行星轮结构有限元分析

采用SolidWorks集成的 Simulation模块对行星轮系结构进行有限元分析,分析内容包括等效应力分析、等效应变分析及总形变分析[6]。

2.3.1 等效应力分析

经过等效应力分析,此轮系应力最大值95.78 MPa，主要集中在两齿轮啮合接触处。齿轮啮合接触处的等效应力最大值小于普通碳钢的屈服极限220 MPa，满足行星齿轮强度要求，如图4所示。

图4 应力分布云图

2.3.2 等效应变分析

经过等效应变分析，此轮系应变最大值2.35e-5 mm/mm，主要集中在两齿面接触啮合处。齿面接触啮合处等效应变数值很小，齿轮材料能够满足行星齿轮对应变的要求，如图5所示。

图5 应变分布云图

2.3.3 总形变分析

经过总形变分析，此轮系最大整体变形量为0.019 43 mm，变形主要发生在齿面接触啮合处，变形量较小，基本符合齿轮啮合的理论变形趋势，满足行星齿轮的强度和刚度要求，如图6所示。

图6 总形变分布云图

3 创新理念

3.1 工作原理的创新

该设计的辅助动力系统装置与传统电动汽车能量回收工作原理大相径庭，二者有着本质的区别。前者的能量输出阶段由电动机传输扭矩，通过万向传动轴传递至行星轮系的太阳轮，再由太阳轮均匀降扭矩传递到三个行星轮，从而降低激变力矩对于传动部件的磨损，能量回收阶段的实现是由轮毂转动通过传动轴，带动轴上安装的发电机转子旋转发电，以此实现充放电一体化[7]；后者的工作原理是动力源产生的动力经过传动轴传输到轮毂，驱动轮毂转动，使车辆前行，仅在汽车滑行或刹车制动时，能量回收系统才能生效，实现能量回收。

3.2 辅助动力系统安装位置的创新

前驱汽车主要且唯一的动力来源为安装在前桥的发动机，后桥则无动力来源，而车辆行驶的原理是发动机启动，随之产生扭矩，而发动机直接安装在车辆的前桥上，发动机通过传动系统将产生的扭矩传输到执行系统，由执行系统驱动轮毂，进而前桥轮毂转动，驱动车辆行驶前进，由于后桥无动力源，致使车辆出现动力不足、顿挫等问题。针对上述问题，摒弃传统的设计观念巧妙地将辅助动力系统装置安装在车辆后桥上，作为后桥的输出动力源，其辅助动力系统装置与前桥发动机驱动的工作原理相类似。其工作原理为电动机通电，工作运行产生扭矩，通过传动轴把扭矩传递到行星轮系中，随后行星轮系驱动车辆后桥轮毂旋转，进而使车辆行驶前进。安装在车辆后桥上的辅助动力系统装置，作为额外动力源，同时车辆前桥上的发动机作为主动力源，二者相结合，从而普通两驱车变为四驱车，市场中现有的四驱车与该设计理念下的四驱车有所不同，前者是在车辆原有发动机基础上，通过加装传动轴，使之变为四驱，由于发动机的功率是定值，因此，无论是两驱还是四驱，整车的输出动力不变，并不能提供额外的动力。而该设计通过增加额外动力源，使之转变为四驱，相当于两个发动机输出动力，因此能够提供额外的动力，给予驾驶员更加优异的驾驶体验[8]。

4 结语

汽车后端电机辅助动力系统融合混合动力汽车的设计理念，通过在汽车后桥安装辅助动力系统，利用行星轮系和万向轴作为复合传动装置，创新性地改变传统汽车的驱动方式，通过电力驱动为辅助动力与引擎相结合，提供额外动力，可弥补动力不足问题。当依靠引擎驱动时，能为电瓶反向充电，实现能量回收，提高内燃机的工作效率，可起到节约能源的效果，为汽车提供额外动力，同时安装发电机，实现了能源回收再利用，达到更高的能量利用效率，能有效解决当下石油能源过度燃烧和大气污染问题，达到节能减排的最终目标，具有广阔的市场前景与应用价值。