一種汽車后橋輔助動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與有限元分析

宋泓炎,彭一雯,張玉飛,王可新,崔有正,唐耀偉

(齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引言

近年來，伴隨著全球石油礦產(chǎn)資源的過度開采而造成的能源枯竭，化石能源的燃燒造成的大氣污染問題日益嚴(yán)重，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，于是，世界各國紛紛呼吁人們健康綠色出行[1]。各國車企爭(zhēng)先加大新能源汽車的研發(fā)力度，致力于在節(jié)約能源方面實(shí)現(xiàn)突破，通過采用電力驅(qū)動(dòng)來代替引擎驅(qū)動(dòng)，達(dá)到能源轉(zhuǎn)型。現(xiàn)有研究方向首先是以純電池組供能，但單一動(dòng)力源的動(dòng)力欠佳且持續(xù)供能性較差，能量耗盡前，必須提前尋找充電站或更換新的電池單元，因此限制了汽車?yán)m(xù)航里程[2]。其次是采用混合動(dòng)力系統(tǒng)供能，雖然有效解決了單一動(dòng)力源的供能短缺問題，但是由于裝載兩套動(dòng)力系統(tǒng)及其對(duì)應(yīng)的管理控制元件，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)較難，價(jià)格較高的問題。因此，針對(duì)單一的引擎驅(qū)動(dòng)易造成動(dòng)力不足，傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車又不得不考慮停車充電及混合動(dòng)力汽車技術(shù)不完善等問題，現(xiàn)旨在設(shè)計(jì)一種附帶能量?jī)?nèi)循環(huán)功能的汽車后橋輔助動(dòng)力系統(tǒng)[3]。

1 設(shè)計(jì)理念概述

該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念是對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車的不足進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新性地改變傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式，通過電力驅(qū)動(dòng)為輔助動(dòng)力與引擎相結(jié)合，額外提供22.06～36.77 kW動(dòng)力，可彌補(bǔ)動(dòng)力不足問題，當(dāng)依靠引擎驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)能為電瓶充電，實(shí)現(xiàn)能量回收利用，提高了內(nèi)燃機(jī)的工作效率，當(dāng)依靠輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，可起到節(jié)約能源的效果，適于普遍生產(chǎn)使用[4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及工作流程設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由連接輪盤、萬向球、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、懸掛底盤、制動(dòng)鉗組件、輪轂、剎車盤、軸承、萬向軸、行星輪系等組成。

1.連接輪盤；2.萬向球；3.電動(dòng)機(jī)；4.發(fā)電機(jī)；5.懸掛底盤；6.制動(dòng)鉗組件；7.輪轂；8.剎車盤；9.萬向軸；10.軸承；11.行星輪系

2.2 工作流程設(shè)計(jì)

汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)工作流程如圖2所示，能量回收系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 工作流程

1.電動(dòng)機(jī)；2.V帶；3.發(fā)電機(jī)

1)當(dāng)裝有汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的車輛起步或遇到上坡路段時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過萬向軸傳遞扭矩，助力汽車順暢運(yùn)行，提高駕駛體驗(yàn)和舒適度。

2)當(dāng)裝有汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的車輛運(yùn)行時(shí)，輪轂通過萬向軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源回收[5]。

3)當(dāng)裝有汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的車輛需要?jiǎng)x車時(shí)，汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的制動(dòng)鉗組件通過液壓控制兩邊摩擦片夾緊剎車盤實(shí)現(xiàn)剎車功能。

2.3 行星輪結(jié)構(gòu)有限元分析

采用SolidWorks集成的 Simulation模塊對(duì)行星輪系結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,分析內(nèi)容包括等效應(yīng)力分析、等效應(yīng)變分析及總形變分析[6]。

2.3.1 等效應(yīng)力分析

經(jīng)過等效應(yīng)力分析,此輪系應(yīng)力最大值95.78 MPa，主要集中在兩齒輪嚙合接觸處。齒輪嚙合接觸處的等效應(yīng)力最大值小于普通碳鋼的屈服極限220 MPa，滿足行星齒輪強(qiáng)度要求，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力分布云圖

2.3.2 等效應(yīng)變分析

經(jīng)過等效應(yīng)變分析，此輪系應(yīng)變最大值2.35e-5 mm/mm，主要集中在兩齒面接觸嚙合處。齒面接觸嚙合處等效應(yīng)變數(shù)值很小，齒輪材料能夠滿足行星齒輪對(duì)應(yīng)變的要求，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變分布云圖

2.3.3 總形變分析

經(jīng)過總形變分析，此輪系最大整體變形量為0.019 43 mm，變形主要發(fā)生在齒面接觸嚙合處，變形量較小，基本符合齒輪嚙合的理論變形趨勢(shì)，滿足行星齒輪的強(qiáng)度和剛度要求，如圖6所示。

圖6 總形變分布云圖

3 創(chuàng)新理念

3.1 工作原理的創(chuàng)新

該設(shè)計(jì)的輔助動(dòng)力系統(tǒng)裝置與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車能量回收工作原理大相徑庭，二者有著本質(zhì)的區(qū)別。前者的能量輸出階段由電動(dòng)機(jī)傳輸扭矩，通過萬向傳動(dòng)軸傳遞至行星輪系的太陽輪，再由太陽輪均勻降扭矩傳遞到三個(gè)行星輪，從而降低激變力矩對(duì)于傳動(dòng)部件的磨損，能量回收階段的實(shí)現(xiàn)是由輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)軸，帶動(dòng)軸上安裝的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，以此實(shí)現(xiàn)充放電一體化[7]；后者的工作原理是動(dòng)力源產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)軸傳輸?shù)捷嗇灒?qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輛前行，僅在汽車滑行或剎車制動(dòng)時(shí)，能量回收系統(tǒng)才能生效，實(shí)現(xiàn)能量回收。

3.2 輔助動(dòng)力系統(tǒng)安裝位置的創(chuàng)新

前驅(qū)汽車主要且唯一的動(dòng)力來源為安裝在前橋的發(fā)動(dòng)機(jī)，后橋則無動(dòng)力來源，而車輛行駛的原理是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，隨之產(chǎn)生扭矩，而發(fā)動(dòng)機(jī)直接安裝在車輛的前橋上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)將產(chǎn)生的扭矩傳輸?shù)綀?zhí)行系統(tǒng)，由執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪轂，進(jìn)而前橋輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛前進(jìn)，由于后橋無動(dòng)力源，致使車輛出現(xiàn)動(dòng)力不足、頓挫等問題。針對(duì)上述問題，摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念巧妙地將輔助動(dòng)力系統(tǒng)裝置安裝在車輛后橋上，作為后橋的輸出動(dòng)力源，其輔助動(dòng)力系統(tǒng)裝置與前橋發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作原理相類似。其工作原理為電動(dòng)機(jī)通電，工作運(yùn)行產(chǎn)生扭矩，通過傳動(dòng)軸把扭矩傳遞到行星輪系中，隨后行星輪系驅(qū)動(dòng)車輛后橋輪轂旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使車輛行駛前進(jìn)。安裝在車輛后橋上的輔助動(dòng)力系統(tǒng)裝置，作為額外動(dòng)力源，同時(shí)車輛前橋上的發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，二者相結(jié)合，從而普通兩驅(qū)車變?yōu)樗尿?qū)車，市場(chǎng)中現(xiàn)有的四驅(qū)車與該設(shè)計(jì)理念下的四驅(qū)車有所不同，前者是在車輛原有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，通過加裝傳動(dòng)軸，使之變?yōu)樗尿?qū)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是定值，因此，無論是兩驅(qū)還是四驅(qū)，整車的輸出動(dòng)力不變，并不能提供額外的動(dòng)力。而該設(shè)計(jì)通過增加額外動(dòng)力源，使之轉(zhuǎn)變?yōu)樗尿?qū)，相當(dāng)于兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，因此能夠提供額外的動(dòng)力，給予駕駛員更加優(yōu)異的駕駛體驗(yàn)[8]。

4 結(jié)語

汽車后端電機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)融合混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)理念，通過在汽車后橋安裝輔助動(dòng)力系統(tǒng)，利用行星輪系和萬向軸作為復(fù)合傳動(dòng)裝置，創(chuàng)新性地改變傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式，通過電力驅(qū)動(dòng)為輔助動(dòng)力與引擎相結(jié)合，提供額外動(dòng)力，可彌補(bǔ)動(dòng)力不足問題。當(dāng)依靠引擎驅(qū)動(dòng)時(shí)，能為電瓶反向充電，實(shí)現(xiàn)能量回收，提高內(nèi)燃機(jī)的工作效率，可起到節(jié)約能源的效果，為汽車提供額外動(dòng)力，同時(shí)安裝發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了能源回收再利用，達(dá)到更高的能量利用效率，能有效解決當(dāng)下石油能源過度燃燒和大氣污染問題，達(dá)到節(jié)能減排的最終目標(biāo)，具有廣闊的市場(chǎng)前景與應(yīng)用價(jià)值。