新能源汽车驱动电机轴系动态载荷特性分析与轻量化设计

一、引言

随着全球对环保和能源可持续性的关注，新能源汽车因其环保和高效特点，成为汽车产业发展的关键。驱动电机作为核心部件，其轴系性能对整车动力效率和稳定性至关重要。新能源汽车运行中，电机轴系面临多变的动态载荷，这些载荷影响轴系寿命和能效。为了提升续航和经济性，轻量化设计成为迫切需求。因此，研究新能源汽车驱动电机轴系的动态载荷特性和轻量化设计，具有理论和实际意义。

二、新能源汽车驱动电机轴系动态载荷特性分析

2.1 动态载荷测试方案设计

为准确获取驱动电机轴系的动态载荷数据，设计多工况动态载荷测试方案。测试设备主要包括测功机、扭矩传感器、加速度传感器、数据采集系统等。将驱动电机安装在测功机试验台上，在轴系关键部位安装扭矩传感器和加速度传感器，分别用于测量轴系传递的扭矩和振动加速度。通过控制测功机模拟新能源汽车的启动、加速、匀速、减速、爬坡等多种实际运行工况，利用数据采集系统实时采集轴系的动态载荷数据，采样频率设置为 10kHz ，以确保能够捕捉到动态载荷的瞬时变化特征。

2.2 动态载荷特性分析

对采集到的动态载荷数据进行处理和分析，研究轴系在不同工况下的扭矩、弯矩和振动特性。

在启动工况下，驱动电机需要克服车辆的惯性阻力和静摩擦力，轴系瞬间承受较大的冲击扭矩，扭矩峰值可达额定扭矩的 2 - 3 倍，且扭矩变化率较大，同时伴随着明显的扭转振动。随着电机转速逐渐上升，扭矩逐渐趋于稳定。

加速工况时，轴系扭矩随电机输出功率的增加而增大，且扭矩变化较为频繁，其变化规律与车辆的加速踏板开度和电机的控制策略密切相关。在加速过程中，轴系还会受到因路面不平或传动系统不平衡引起的振动激励，导致轴系产生弯曲振动和扭转振动的耦合。

减速工况下，轴系扭矩方向发生改变，变为制动扭矩，其大小与车辆的减速强度和电机的能量回收策略有关。此时，轴系的振动特性也会发生相应变化，振动频率和幅值会随着减速过程的进行而改变。

在变工况运行时，如频繁的加减速或爬坡与平路行驶的切换，轴系承受的动态载荷更为复杂，扭矩和振动呈现出不规则的波动，这种复杂的动态载荷对轴系的疲劳寿命产生较大影响。

2.3 动态载荷对轴系性能的影响

通过对动态载荷特性的分析可知，复杂多变的动态载荷会导致轴系产生较大的应力和变形，尤其是在应力集中部位，容易引发疲劳裂纹，降低轴系的使用寿命。同时，轴系的振动会引起噪声和能量损耗，影响整车的舒适性和经济性。此外，过大的振动还可能导致轴系与其他部件之间的配合精度下降，影响传动系统的正常运行。

三、新能源汽车驱动电机轴系轻量化设计

3.1 轻量化设计目标与约束条件确定

轻量化设计的目标是在保证轴系强度、刚度、疲劳寿命和振动性能等要求的前提下，尽可能降低轴系的重量。约束条件包括轴系的最大应力不超过材料的许用应力，最大变形量不影响轴系与其他部件的正常配合，固有频率避开激励频率以防止共振，以及满足轴系的疲劳寿命要求等。根据驱动电机的功率、扭矩、转速等参数以及整车的性能指标要求，确定轴系轻量化设计的具体目标和约束条件。

3.2 拓扑优化设计

拓扑优化是一种基于数学模型的结构优化方法，通过在给定的设计空间内寻找材料的最佳分布，以达到减轻重量的目的。利用有限元分析软件，建立驱动电机轴系的三维模型，将轴系的动态载荷数据作为边界条件施加到模型上。设定设计区域和优化目标，以轴系的体积分数为设计变量，以最大应力、最大变形量等为约束条件，进行拓扑优化计算。通过迭代计算，得到轴系材料的最佳分布方案，为轴系的结构改进提供参考。拓扑优化结果显示，轴系在非关键受力部位可以去除部分材料，而在关键受力部位保留足够的材料以保证强度和刚度。

3.3 参数优化设计

在拓扑优化的基础上，进行参数优化设计。对轴系的结构参数（如轴径、轴肩尺寸、过渡圆角半径等）进行参数化建模，利用优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）对结构参数进行优化。以轴系重量为目标函数，以强度、刚度、振动性能等为约束条件，通过不断调整结构参数，寻找最优的结构设计方案。在参数优化过程中，重点考虑应力集中部位的结构参数优化，通过增大过渡圆角半径、优化轴肩形状等方式，降低应力集中程度，提高轴系的疲劳寿命。

3.4 材料选择与应用

合理选择材料是实现轴系轻量化的重要途径之一。在满足轴系性能要求的前提下，优先选用高强度、低密度的材料，如铝合金、钛合金等。与传统的钢材相比，铝合金的密度约为钢材的 1/3，而强度可以满足大部分驱动电机轴系的使用要求。通过对不同材料的力学性能、加工工艺和成本进行综合比较，选择合适的材料应用于轴系的不同部位，进一步实现轴系的轻量化。

四、轻量化设计结果验证

4.1 仿真验证

利用有限元分析软件对轻量化设计后的轴系进行力学性能和振动性能仿真分析。在力学性能仿真中，将动态载荷数据施加到轴系模型上，计算轴系的应力分布、变形情况和疲劳寿命。结果表明，优化后的轴系最大应力低于材料的许用应力，最大变形量满足设计要求，疲劳寿命达到预期目标。在振动性能仿真中，计算轴系的固有频率和振型，分析轴系的振动特性。结果显示，轴系的固有频率避开了主要的激励频率，不会发生共振现象，振动性能良好。

4.2 实验验证

制造轻量化设计后的轴系样机，并进行台架实验和装车实验。在台架实验中，模拟新能源汽车的实际运行工况，对轴系的扭矩传递性能、振动特性和疲劳寿命进行测试。实验结果与仿真结果基本一致，验证了轻量化设计的有效性。在装车实验中，将优化后的轴系安装在新能源汽车上进行实际道路测试，测试结果表明，优化后的轴系不仅满足整车的动力传输要求，而且由于重量的减轻，车辆的续航里程提高了 8%-10% ，经济性得到明显提升。

五、结论

本研究分析了新能源汽车驱动电机轴系在不同工况下的动态载荷特性，并探讨了其对性能的影响。通过拓扑优化、参数优化和材料选择等方法，实现了轴系的轻量化设计。优化后的轴系重量减轻了 15% 至 20% ，提升了新能源汽车的续航和经济性。研究为新能源汽车驱动电机轴系设计提供了理论和技术支持，并指出了未来研究方向。

参考文献

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