电动轿车等速万向节驱动轴设计与验证.pdf

第5 1 卷第1 2 期 V 0 1 5 lN o 1 2 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年1 2 月 D e ce m b e r2 0 13 电动轿车等速万向节驱动轴设计与验证 潘正东 2 3 0 0 2 2 安徽省合肥市江淮汽车股份有限公司技术中心 摘要 从临界转速 驱动轴强度 驱动轴轴杆扭转刚度等方面阐述了电动车等速万向节驱动轴的设计 同时也 提出了电动车等速万向节驱动轴除传统燃油车驱动轴试验验证之外的试验验证方法 关键词 电动轿车 驱动轴 设计 中图分类号 U 4 6 9 7 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 1 2 0 0 5 0 0 3 D e s ig na n d V e r if ica t io no fC o n s t a n tV e l o cit yU n iv e r s a lJ o in tD r iv eS h a f to fE l e ct r icV e h icl e P a nZ h e n g d o n g T e ch n ica lC e n t e ro f A n h u iJ ia n g h u a iA u t o m o b il eC o L t d H e f e iC it y A n h u i P r o v in ce2 3 0 0 2 2 C h in a A b s t r a ct T h ed e s ig no fe l e ct r ic v e h icl eco n s t a n tv e l o cit yu n iv e r s a lj o in td r iv es h a f tise x p o u n d e df r o mt h ea s p e ct so fd r iv e s h a f t 7 Scr it ica ls p e e d s t r e n g t h a n dt o r s io n a ls t if f n e s s A tt h es a m et im e t h et e s tm e t h o do ft h ee l e ct r icv e h icl eco n s t a n t v e l o cit yu n iv e r s a ld r iv es h a f tisp u tf o r w a r db e s id e st h et e s to fd r iv es h a f tf o rco n v e n t io n a lv e h icl e K e yw o r d s e l e ct r icv e h icl e d r iv es h a f t d e s ig n 0 引言 轿车等速万向节驱动轴总成的结构设计是一 个很复杂的设计程序 是根据车型和整车的布置 需要进行的方案及结构类型选择 一旦方案确定 后 再根据整车及悬架等有关结构参数确定其结 构尺寸 然后根据悬挂运动学原理确定驱动轴及 万向节的长度尺寸及内 外节的转角和伸缩行程 还要进行内部结构 尺寸和强度等的设计计算r 1 1 特别对于电动轿车来说 起步时扭矩响应速度快 驱动轴设计时必须克服扭矩响应速度快带来的影 响 设计状态下的驱动轴参数不一定能够满足极 限状态下车辆的使用 此问题必须在车辆量产前 处理完毕 因此必须提出一种好的试验方法 能够 将车辆的极限状态进行实车模拟 确认驱动轴的 参数是否能够匹配整车 1 电动车等速万向节驱动轴设计 如图1 所示 当驱动电机的动力传到减速器 和差速器后 平均分配给两侧半轴 然后再经等速 万向节和前轮毂带动前轮 进而完成驱动和转向 的功能 收稿1 3 期 2 0 1 3 0 9 0 4修回1 3 期 2 0 1 3 0 9 1 3 图1 电动轿车前转向驱动桥结构图 F ig 1F r o n ts t e e r in gd r iv ea x l es t r u ct u r eo fe l e ct r ic ca r 1 1 等速万向节结构类型的选择 当轿车在不平路面上行驶而车轮受到冲击 时 就可以借助可轴向伸缩的万向节来吸收冲击 能量 从而缓和传到机体上的冲击 以保证两前轮 始终同时着陆 具有一定的缓冲作用 2 一般前桥 内侧的可轴向伸缩的万向节有交叉滚道式 三销 球式和双偏置式等几种万向节 极限转角可达 2 2 伸缩量可达 2 0m m 此外还有A A R 型 此万 向节极限转角可达2 6 伸缩量可达 2 0m m 由于前桥还要担负转向的任务 转向时 前轮 要绕着转向节转动一个角度 在这种情况下 外侧 的前轮由等速万向节可以保证前桥的半轴和差速 器之间等角速传递动力 这时 一般选用最常见 的球笼式万向节 其极限转角可达4 5 1 2 等速万向节驱动轴临界转速的计算 当驱动轴的转速接近它的弯曲自然振动频率 时 即出现共振现象 其挠度急剧增加 致使驱动 第5 1 卷第1 2 期潘正东 电动轿车等速万向节驱动轴设计与验证 5 l 轴折断 这个转速即为驱动轴的临界转速 因此 在设计时应考虑驱动轴的最大工作转速必须低于 临界转速 等速万向节驱动轴总成可以简化为两端自 由支承的等断面的简支梁 其临界转速m 可按下 式计算 n o 1 2 x 1 0 8 等 1 L 式中 驱动轴长 取两万向节之中心距 取左 右驱动轴较长的一只 m il l D 驱动轴最小轴 径 m m 安全系数 K n n 一 i K 1 5 式中 广驱动轴最高车速时转速 K 许 用安全系数 取1 2 2 0 一般取1 5 r m x 他 iG 式中 n 一 驱动电机的额定最大转速 r m in ic 一减速器的速比 1 3 等速万向节驱动轴强度的确定 等速万向节驱动轴总成 除承受图纸要求的 一定量值的轴向滑移力外 主要是承受扭转力矩 其转矩的确定可按式 2 计算 4 1 按驱动电机最大转矩和减速器速比来计 算载荷 T E c K a xT x iG 7 7 2 2 式中 K 厂一动载系数 取1 Z 驱动电机最 大转矩 i厂从驱动电机到驱动轴的最大传动 比 r 驱动电机到驱动轴之间的传动效率 取 0 9 5 2 按驱动轮打滑来计算载荷 乃m G e x g x m l x x x r 2 3 式中 G 厂一满载前桥载荷 r 重力加速度 取 9 8 m l 汽车最大加速度时前轴负荷转移系 数 l 车轮附着系数 车轮滚动半径 3 确定驱动轴最大承受载荷 N m 比较 与死一的大小 取其中的较小值作 为最大承受载荷死一 T j m a x m in k 乃 4 4 确定驱动轴总成最小扭转屈服强度r A N m 耻 枷 5 式中 届 屈服安全系数 取1 7 5 确定驱动轴的计算载荷T A P P N I n T A P P 乃 短 6 式中 f 静扭安全系数 取2 5 6 确定驱动轴总成最小静扭强度瓦 N m 驱动轴的最小静扭强度r 应大于T A P P 1 4 等速万向节驱动轴中间轴杆最小公称直径的 确定 根据2 3 计算得出的驱动轴总成的屈服强度 和最小静扭破坏强度 按照J B T1 0 1 8 9 2 0 1 0 汽 车用等速驱动轴及其总成 标准 可以确定驱动轴 中间轴杆最小公称设计直径 1 5 等速万向节驱动轴轴杆扭转刚度的校核 驱动轴轴杆在受到扭矩旋转时 轴杆会在切 应力作用下发生扭转 特别对于电动车来说 在满 载起步加速时 驱动电机的输出扭矩上升速度非 常快 几乎就是垂直上升的 这样就造成了驱动电 机的扭矩瞬时上升到额定扭矩 驱动轴所传递的 扭矩也突然上升到最大 造成驱动轴发生最大扭 转变形 由于前舱布置方面的限制 导致整车上的 左右驱动轴长度不可能相等 这样就造成了到达 左右车轮的变形角会不同 影响跑偏 影响汽车的 操纵性 现将电动车的驱动轴做成不等直径 使到 达左右驱动车轮的扭转角是相等的 就会避免车 辆跑偏的影响 提高车辆的操纵性引 轴的扭转变形用每米长的扭转角盯来表示 圆轴扭转角o r m 的计算公式为 硝 7 3 枷4 亩 7 T 式中 卜轴所受的扭矩 N in t o G 轴的材 料的剪切弹性模量 M P a t 轴截面的极惯性 矩 m m 4 对于圆轴 厶 祟一 现使不等长度左右驱动轴的扭转角相等 即 可得出左右驱动轴轴径之间的关系 根据前面定 下来的轴杆的最小轴径 即可得出另一根驱动轴 的轴径 2 电动车等速万向节驱动轴的设计验证 在设计过程中发现与传统燃油车相差很大 特别是电动车驱动电机扭矩响应速度快造成了驱 动轴设计时对应的变化 现针对电动车等速万向 节驱动轴设计过程中所遇到的问题 提出以下试 验验证方法 2 1 不等径等速万向节驱动轴的试验验证方法 由于电动车驱动电机扭矩响应速度快 特别 5 2 农业装备与车辆工程 是在满载情况下 起步加速时 驱动电机的扭矩上 升速度快且能够非常接近驱动电机的额定扭矩 针对此 现提出以下试验验证方法 首先根据某款车制作两套等速万向节驱动 轴 这两套的万向节型式 长度等参数都要一样 仅两套驱动轴的中间轴杆直径不相同 其中一套 驱动轴的中间轴杆直径是根据最小静扭选定的轴 杆最小公称直径 另一套驱动轴是根据2 5 计算 得来的不等径驱动轴 将制作的两套驱动轴依次装在某款车型的同 一辆状态良好的样车上 在满载情况下 松开方向 盘 起步加速 观察车辆的跑偏情况 可比较得出 两套驱动轴的优劣 同时可根据实车的状态 依据 1 5 调整不等径等速万向节驱动轴的轴杆直径 2 2 电动车等速万向节驱动轴的长度试验验证方 法 由于电动车的动力总成由驱动电机 减速器 P C U D C D C 蓄电池 高压接线盒组成 整个动力 总成的位置及布置均有较大变化 车轮转动中心 与差速器半轴花键中心不在一条直线上 而且前 轮还会上下跳动和绕着主销转动 因此必须在车 轮和差速器之间安装一根可伸缩并带有万向节的 驱动轴总成来传递动力 因此 驱动轴移动端可伸 缩万向节的伸缩量是驱动轴设计过程中的一个关 键技术参数 且驱动轴的伸缩量在车辆的上 下跳 极限时达到其极限值 所以必须确认设计状态的 驱动轴在车辆的上 下跳极限时 移动端万向节不 滑出和抵住球壳 以下便是确认车辆上 下跳极限 状态的试验方法 车辆在下极限状态时 驱动轴移动端万向节 滑出到球壳最外端 此时驱动轴长度的试验验证 方法为 将车辆放在举升机上 升起举升机 拆下 左 右驱动轴移动端防尘罩 测出左 右驱动轴移 动端万向节滑出量 根据滑出量的多少调整驱动 轴的长度 车辆在上极限状态时 驱动轴移动端万向节 移动到球壳最里端 此时驱动轴长度的试验验证 方法为 首先模拟车辆的上极限状态时的工况 满载情况下车辆以5 0 6 0k m h 的速度过减速带 且此时踩下制动踏板 减振器弹簧处于并簧状态 车辆处于上极限位置 车辆以此工况行驶试验 5 0 0 次以上 做完试验后 拆下驱动轴移动端防尘 罩 察看驱动轴移动端球壳最里端磨痕与球壳底 部的距离 根据磨痕到球壳底部的距离调整驱动 轴的长度 3 结论 本论文从临界转速 驱动轴强度 驱动轴轴杆 扭转刚度等方面阐述了电动车等速万向节驱动轴 的设计 同时也提出了电动车等速万向节驱动轴 除传统燃油车驱动轴试验之外的试验验证方法 对电动车上等速万向节驱动轴的设计与试验验证 有了相对传统燃油车更深的理解与认识 对提升 电动车整车的品质 增强企业的技术和市场竞争 力 具有一定的积极意义 参考文献 1 王望予 张建文 汽车设计 M7 4 版 北京 机械工业出版社 2 0 0 4 2 倪佑民 汽车方向稳定性基本原理 M 北京 清华大学 1 9 7 8 3 郭孔辉 汽车操纵动力学 M 长春 吉林科学技术出版社 1 9 9 1 4 濮良责 纪明刚 机械设计I i 7 版 北京 高等教育出版社 2 0 0 1 5 陈家瑞 汽车构造 M 北京 人民交通出版社 1 9 9 5 作者简介 潘正东 1 9 8 9 一 男 安徽江淮股份有限公司技术中 心新能源汽车研究院 从事传动系统的研发工作 E m a il 4 1 0 8 6 2 2 1