电动汽车和电驱桥发展情况研究

1概述随着新能源汽车的迅速发展，电动城市物流车成为了纯电动汽车的一个重要车型，作为城市物流车的核心部件，多挡电驱动桥在市场上的占有率逐渐增加，针对目前电驱动桥相关问题，对电驱动桥开展结构设计和轻量化设计使其能够满足用户需求变得极为重要。本文依托吉林省科技发展计划重点科技研发项目“城市物流车电驱动桥开发与智能化控制关键技术研究”以城市物流车电驱动桥为研究对象，对电驱动桥开展结构设计、仿真分析、轻量化研究工作。提出了三挡电驱动桥新构型，对电驱动桥传动系统各零部件参数进行了匹配优化。采用集中式布置方式，对比分析各换挡机构的特点，设计了三挡变速结构；针对传动系统结构和工况进行参数匹配，在其基础上对车辆各零部件参数进行定义，对电机参数进行确定并选择相应电机，对城市物流车的行驶工况和需求进行分析，对其传动系统参数进行匹配；且为了降低换挡冲击，兼顾动力性和经济性的需求，在确定最大最小传动比的基础上对三挡传动比进行优化；最后根据设计参数对传动系统和电驱动桥进行建模，得到初步设计的电驱动桥桥壳结构。以四种典型工况为基础，对三挡横置一体化电驱动桥进行了刚度强度分析和疲劳分析，验证了电驱动桥桥壳符合设计标准。对桥壳进行仿真前处理，简化其倒角、螺栓等结构，采用四面体网格和六面体网格结合的方式进行网格划分，根据桥壳的整体行驶状况，将城市物流车工况简化为四种典型工况，在这四种典型工况下，结合城市物流车参数，对电驱动桥桥壳部分进行受力分析，针对四种工况验证电驱动桥结构是否符合设计要求。 利用循环工况对三挡横置一体化电驱动桥进行疲劳分析，验证了其安全系数。结合响应曲面优化设计和拓扑优化设计，对电驱动桥进行轻量化研究。对电驱动桥轻量化方法进行分析，针对桥壳不同部位采用不同轻量化方法。对半轴套管采用响应曲面优化设计，约束其最小厚度，约束桥壳最大变形和最大应力，使其计算过程中不超过其最大值，计算结果表明，随着厚度的减小其最大应力和变形逐渐增大，且矩形截面的宽对桥壳的影响大于长对桥壳的影响，并得到其最优化半轴套管厚度。对电驱动桥桥壳中间部位变速减速壳体开展拓扑优化设计，采用变密度法优化方法，对壳体进行减重，根据拓扑优化结果对电驱动桥中间部分变速减速壳体进行结构改进。对轻量化结果进行分析对比。针对上述轻量化设计后的模型，对驱动桥在某些部位产生的应力集中，在应力较大区域进行适当改进和加厚，将轻量化且优化后的桥壳与原设计的三挡横置一体化电驱动桥桥壳进行对比分析，桥壳减重约11%。 2背景与意义目前新能源政策对于纯电动汽车虽然有着较高的补贴，但是其对于电动汽车的性能有着较高的要求；现阶段城市物流车电驱动桥存在空间利用率不高、传动效率较低、控制系统不足以满足要求等问题制约了其市场表现。据相关统计，目前市面上的纯电动物流车产品，其传动装置大都为单挡传动，即传动速比固定。并没有配备自动变速装置，这种装置不能同时满足车辆较大行驶速度和较大爬坡度的性能要求。多挡位电驱动桥成为市场上急需的产品。虽然多挡位减速器意味着成本上升、重量增加、额外的损耗、换挡中断等问题，但是电驱动桥多挡位变速器相对于单挡变速器可以使传动系统有着更宽的扭矩范围，这样在相同的需求下，多挡电驱动桥对电机的需求降低了很多，所以多挡变速器一定程度上降低了电动汽车对电机和电机控制器等方面的成本。对于复杂路况，多挡位变速器相对于单挡位变速器有着更好的适应性，其加速能力和最高车速均有着较好的表现。综上所述多挡电驱动桥在发挥相同性能的情况下相比于单挡电驱动桥可能会有较大的成本降低，使其在市场的竞争力大大提高。然而当前国内多挡电动物流车动力传动总成多承继传统燃油汽车，存在自重较重、空间利用差、传动效率较低等问题，严重制约了其市场表现。对多挡位尤其是三挡以上的电驱动桥进行集成化与轻量化设计，是目前解决多挡电驱动桥市场问题的重点，本项目结合传统驱动桥和变速箱等优点，设计出一款新型带直接挡三挡横置一体化电驱动桥样机，对其进行轻量化设计和优化设计，促进我国多挡位电驱动桥的发展。 3电动汽车及电驱动桥发展概况目前国内外市场电动汽车发展较为迅速，很多国际汽车公司先后发布了电驱动桥产品，以舍弗勒、博格华纳、吉凯恩等公司为代表。舍弗勒研究了适应48 V系统的轻度混合动力电驱动桥，如图1.1所示。其可提供12kW的功率，可进行制动能量回收，车桥有两个挡位，集成化程度高。舍弗勒公司还设计了一款两速变速箱，如图1.2所示，通过行星齿轮组进行换挡，且对声学、润滑和散热方面实施了可靠的方案设计。吉凯恩推出了一款两挡电驱动桥应用于混合动力汽车，如图1.3所示，一挡速比为11.38，二挡速比为5.85，最大扭矩2800Nm。eAxle传动模块集成化程度高，将电机和传动系统进行集成，二者共用一个壳体，使得整体占用空间较小，且质量相对于其他电驱动桥大大减小，eAxle传动模块将纯电驱动模式和全驱模式进行区分，在操纵性方面和动力性方面均有较好的表现，质量明显减小；传动效率提高到95%。图1.1舍弗勒48V系统电驱动桥 在国家政策的支持下，国内众多企业也纷纷投入了对电驱动器产品的研发中。以比亚迪、吉利、上汽、北汽等集团为代表，相继推出了电动汽车产品，以单挡电动汽车或轮边电机为主。图1.4为比亚迪的车桥产品，其为集成化单挡电驱动桥，适用于轻型卡车，额定载荷2.5吨，该电驱动桥电机内置，大大减少了汽车传动系统占用空间，使电池等其他零部件的布置更加灵活。目前，国内汽车产业生态链基本形成，电动汽车发展已经迈过起步阶段进入了中高速发展阶段，但是电动汽车的相关核心技术和国外还有一定的差距，打造核心技术成为了国内相关企业面对市场竞争的关键。图1.4比亚迪轻型卡车电驱动桥 4多挡传动电驱动系统研究现状随着电机技术的发展，其转速和转矩均有着较宽的变化范围，基于此，国内汽车企业在进行电动汽车产品开发时，为了减少开发和制造成本，电动汽车多采用单挡结构，但是该结构相对于多挡结构有着不小的性能差距，单挡传动结构在电动汽车行驶过程中，电机始终处于高转距、大电流工作状态，电动汽车多挡变速器便成为了一个更好的选择，多挡变速器可以使得汽车在启动时有着较大的输出转矩且可以提高电动汽车的最大车速。多挡变速器相对于单挡变速器可以使电机在多数时间均工作在高效率区，进而使得电动汽车的动力学和经济性得到改善。目前，国内外对纯电动汽车多挡变速器的研究日益增多，包括齿轮的结构设计、变速器的换挡控制、变速器的结构设计等。工作可靠、噪声低、具有高的工作效率是变速器的基本设计要求。目前汽车厂商如博格华纳、吉凯恩、奥迪、舍弗勒等公司相继推出了多挡电驱动桥产品。国外对电驱动桥多挡传动研究较为成熟，且形成了较为先进的电驱动桥产品和理论。Eberleh B等人对两挡电驱动桥进行了研究，并形成了电驱动桥产品，安装在小型电动汽车上进行测试，结果显示，电池能耗得到明显降低；Ren Q等人通过仿真将两挡传动系统和单挡传动系统的相关性能进行对比分析，仿真结果显示，两挡变速器不仅降低了传动系统整体的质量和尺寸，而且其在能耗方面也有着显著的优势；Lee W等人对五挡电驱动桥开展研究，其变速部分为手动变速结构，并对相应的驱动电机控制系统进行开发。 SorniottiA等人为提高汽车整体效率，以最大续驶里程为目标，对电动汽车变速系统进行设计，设计了一款新型的两挡变速结构，并对传动系统参数进行匹配优化，得到更高的续驶里程。Paul D等人对电驱动桥单挡变速器和多挡变速器进行对比分析，结合相关遗传算法，对各个不同种类的电驱动桥进行速比优化，得出各个电驱动桥传动系统结构的最佳传动比，结果表明，采用两挡传动方案能够获得更好的性能。目前国内对多挡电桥的研究以高校为主，多处于理论研究和试验验证阶段。Lin C等人提出了一种新颖的系统混合提取方法，以获取多挡变速器的城市公交车在线可用的最佳换挡规则，成功地将能耗降低了10.78％，并且在实际应用中具有足够的效率和灵活性。岳汉奇对电动汽车自动变速箱换挡的动力中断进行了相关研究，提出FSOWC换挡系统，该动力换挡系统结构简单，仅需要通过控制离合器的接合便能实现换挡，同时，其通过搭建试验台验证了FSOWC换挡系统换挡平顺。王聪聪等人采用实验设计的方法对电动汽车的传动系统参数开展了匹配工作。黄康等人将多目标粒子群算法应用到参数匹配之中，并采用Bellman算法对电动汽车换挡规律进行优化，通过仿真，验证了两种算法的结合可以有效的降低整车的燃油消耗，达到运动方面的解耦。胡苪将再生制动考虑到换挡之中，在换挡控制策略制定过程中融入再生制动这一研究，新的换挡策略提高了车辆的续驶里程。 NgocTan H等人提出一款六联杆机构的变速器并建立仿真设计程序，如图1.5所示，将该机构简化为框图然后再化为广义运动链，根据广义运动链并设计了15个新的无离合器电动机变速箱和16个新的有离合器电动机变速箱。以其中一个变速选择一种具有合成配置可能性的新型电动机变速器作为案例，以分析与功率流模式和运行模式相关的工作规律。图1.5六联杆机构（a）机构（b）框图（c）广义运动链 5电驱动系统集成化轻量化研究现状面临资源短缺、环境污染严重的问题，在电动汽车的研究中，轻量化方法成为了当前研究热点，汽车轻量化可大大提高车辆的续驶里程，因此，国内外学者从各个方面开展了轻量化研究。汽车主要通过对优化结构、改善零部件集成以及改变连接方式等方法进行轻量化设计。零部件的刚强度分析及疲劳分析等可靠性分析是优化结构设计的基础，通过对材料的应力及相关因素进行分析，得到应力富裕区，对其进行轻量化设计。零部件集成设计也是轻量化设计的一个重要发展方向，随着加工精度及工艺水平的提高，未来零部件集成化程度会进一步增加，大大减轻了汽车的重量。越来越多的相关企业和学者对电动汽车开展轻量化的研究，马石磊等人采用疏网格理论和非支配排序遗传算法对电驱动桥进行建模和轻量化设计，降低了驱动桥质量。林利红等人采用多目标优化算法对桥壳进行了轻量化设计，结果表明，在满足条件的情况下，桥壳减重8.4%。Shaikh W等人在对电驱动桥进行轻量化设计时引入拓扑优化方法，将差速器壳体质量降低了25%。Smetana T等人在进行汽车轻量化的过程中，考虑到车辆的动刚度和碰撞性能，采用铝合金材料和多种工况仿真分析，将车辆减重10%。 肖鸿飞等人将仿生学融入到桥壳轻量化设计中，借鉴蛋壳的结构，将桥壳的中间部位采用和鸡蛋相似的椭圆形结构，对其进行优化，新型椭圆形曲线桥壳的刚度和强度均有提高，实现了车桥桥壳的轻量化设计。牛湛滔将新型材料融入到汽车轻量化之中，采用奥-贝球铁材料对桥壳进行轻量化设计，发现在强度相同的情况下，整车减重明显。Mehmet F在疲劳模型中，考虑了具有静态预载荷的比例载荷，而忽略了残余应力的影响。使用Smith-Watson-Topper和Fatemi-Socie疲劳损伤参数预测疲劳测试周期和裂纹萌生位置。两种损坏参数都为模拟的测试条件提供了保守的测试周期估计。Miloslav K等人通过计算确定在设计阶段是否可以预测（和预防）这些使用中的故障，以及它们的主要原因是什么，此外，还探索了使用疲劳寿命分布函数验证该结构细节的使用寿命的可行性。面对这一趋势，舍弗勒的E-Mobility部门与开发合作伙伴共同开发了采用高压和48 V技术的整个电力驱动系统。如图1.6所示。系统集成化程度高，并在一些地方进行了轻量化设计，该系统具有很高的功率密度。奥迪凭借其第一款自主研发的电动轴驱动器走上了一条新路，如图1.7所示。电动机、功率电子单元和车桥齿轮高度集成，构成了全新的传动系统的基础。 图1.7奥迪集成化电驱动桥其采用了紧凑型轴齿轮（总传动比≈9：1），整个车桥具有高功率密度、高效率、低重量和较低的噪声。带有转子内部冷却的智能冷却概念可确保高连续性能，良好的可重复性和耐用性。其紧凑型设计大大降低了电驱动桥的体积，提高了产品的市场竞争力。