電動汽車動力輸出軸的模態分析＊

張坤，魏東坡，尹文榮，魏代禮，方玉娟

（山東華宇工學院 汽車工程學院，山東 德州 253034）

引言

電動汽車作為新型的環保交通工具，其研發和推廣不僅對緩解世界能源危機以及環境問題起著重要的作用，對于我國汽車產業的發展以及我國汽車行業在國際上的地位也有著及其重要的意義。電動汽車行業發展的推動力是其關鍵技術的研發和升級，在目前電動汽車行業快速發展，市場保有量迅速擴大的情況下，電動汽車及其部件的可靠性提升也成為越來越重要的研究方向。其中傳動系統關鍵零部件——動力輸出部位的花鍵連接裝置的可靠性成為制約電動車整車壽命的重要因素[1][2]。本文針對某純電動汽車在使用過程中長期出現的電機輸出軸花鍵損壞問題，利用計算模態分析方法，對該結構進行了分析和優化。

1 建立模型

目前國內電動車在電機動力部位的連接上普遍采用傳統形式的花鍵軸和花鍵套，如圖1所示為某款電動汽車驅動電動機的動力輸出連接結構，其輸出部位主要參數如表1所示。利用Pro/E軟件建立的該連接結構簡化三維模型如圖2所示。

圖1 電機輸出軸花鍵實物圖

表1 電機輸出軸參數

圖2 電機動力輸出花鍵連接模型

2 結構模態分析

將該結構三維模型導入到Ansys Workbench軟件中，采用四面體網格，網格大小設置為 0.5mm，網格劃分后如圖 3所示。根據花鍵軸及軸套的實際運行工況，在軸及軸套支撐軸承處施加三個軸向位移約束和旋轉約束，在配合部位施加旋轉約束[3][4]，如圖4所示。

圖3 模型網格劃分效果圖

圖4 模型施加約束示意圖

分析得到該結構前六階振型，根據分析結果，與實際花鍵損壞故障相關的變形為第1、2階振型，如圖5所示。因此著重對該結構的1、2階振型進行分析優化，振動特性參數如表2所示。

圖5 第1、2階振型

在第1階和第2階頻率下花鍵結構均出現了在繞y軸的彎曲變形，該彎曲振動變形主要位于花鍵軸和花鍵軸套的嚙合處，導致嚙合處的徑向變形與疲勞，是造成連接結構花鍵齒損壞失效的主要原因之一。

表2 第1、2階振動特性參數

3 結構優化設計

由以上分析可知，工作過程中應盡可能的避免或減少花鍵軸和花鍵套連接結構在高頻振動下工作時間，并且應該提高裝配體直徑尺寸最小的軸的強度，避免在高頻下發生健齒斷裂等嚴重的失效形式。但一般電動汽車電機動力傳動系統由減速器、差速器和行星齒輪造成的局部中頻振動頻率范圍一般在10～100Hz[5]，該范圍在中低頻振動內范圍較廣，因此優化目標是適當提高連接結構的1、2階自振頻率，但也不宜提高過多，以避開電機高頻振動頻率范圍 200～2000Hz。優化后新的結構在花鍵軸上取消了階梯軸，保證高頻率下的動力輸出過程花鍵軸的整體強度；軸材質選用40Cr，有效利用40Cr的優異的綜合性能，以保證花鍵鍵齒的強度。

對優化后的結構進行模態分析，得到振動特性參數如表3所示。

表3 優化后結構第1、2階振動特性參數

4 結論

根據模態分析結果，可以看出，優化后的結構前兩階振型頻率分別提高到136.87Hz、157.41Hz，基本避開由減速器、差速器和行星齒輪造成的局部中頻振動，能夠達到提高系統可靠性的基本目標。

研究證明，考慮系統振動的影響，利用計算模態分析方法對電動汽車傳動系統結構進行有限元分析，可以在設計階段有效提高結構的可靠性，節省樣件試制和試驗時間，縮短設計周期和成本，進而提高電動汽車的使用壽命。