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10.16638/jki.1671-7988.2019.06.007
电动汽车动力输出轴的模态分析*
张坤，魏东坡，尹文荣，魏代礼，方玉娟
（山东华宇工学院 汽车工程学院，山东 德州 253034）
摘 要：为了提高电动汽车电机动力输出连接装置的可靠性，提升电动汽车的整车使用寿命，针对频繁出现的电机输出轴花键的损坏问题，利用Pro/E 建立了电动汽车驱动电机动力输出连接的三维建模，并通过Ansys Workbench 对模型进行了模态分析，根据分析结论，对该连接部位结构进行了优化。 关键词：电动汽车；电机轴；花键连接；模态分析
中图分类号：U463.5  文献标志码：A  文章编号：1671-7988(2019)06-18-02
Modal Analysis of the Motor Output Shaft in Electric Vehicle*
Zhang Kun, Wei Dongpo, Yin Wenrong, Wei Daili, Fang Yujuan
( Department of Automotive Engineering, Shandong Huayu University of Technology, Shandong Dezhou 253034 ) Abstract: In order to improve the reliability of the power output connection device, and improve the service life of the electric vehicle. Aiming at the high frequent damage on the spline of motor output shaft. We established the 3D model of the power output connection device by Pro/E. Finished the modal analysis of the 3D model by Ansys Workbench. Through the analysis, we optimized the structure of output connection device.
Keywords: Electric vehicle; Motor output shaft; Spline connection; Modal analysis CLC NO.: U463.5  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)06-18-02
引言
电动汽车作为新型的环保交通工具，其研发和推广不仅对缓解世界能源危机以及环境问题起着重要的作用，对于我国汽车产业的发展以及我国汽车行业在国际上的地位也有着及其重要的意义。电动汽车行业发展的推动力是其关键技术的研发和升级，在目前电动汽车行业快速发展，市场保有量迅速扩大的情况下，电动汽车及其部件的可靠性提升也成为越来越重要的研究方向。其中传动系统关键零部件——动力输出部位的花键连接装置的可靠性成为制约电动车整车寿命的重要因素
[1][2]
。本文针对某纯电动汽车在使用过程中长期出
现的电机输出轴花键损坏问题，利用计算模态分析方法，对
该结构进行了分析和优化。
1 建立模型
目前国内电动车在电机动力部位的连接上普遍采用传统形式的花键轴和花键套，如图1所示为某款电动汽车驱动电动机的动力输出连接结构，其输出部位主要参数如表1所示。利用Pro/E 软件建立的该连接结构简化三维模型如图2所示。
图1  电机输出轴花键实物图
作者简介：张坤（1984.4-），男，工程师、工学硕士，就职于山东华宇工学院汽车工程学院。基金项目：山东省高等学校科研发展计划项目（J17KB023）。
张坤 等：电动汽车动力输出轴的模态分析
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表1  电机输出轴参数
图2  电机动力输出花键连接模型
2 结构模态分析
将该结构三维模型导入到Ansys Workbench 软件中，采用四面体网格，网格大小设置为0.5mm ，网格划分后如图3所示。根据花键轴及轴套的实际运行工况，在轴及轴套支撑轴承处施加三个轴向位移约束和旋转约束，在配合部位施加旋转约束
[3][4]
，如图4所示。
图3  模型网格划分效果图
图4  模型施加约束示意图
分析得到该结构前六阶振型，根据分析结果，与实际花键损坏故障相关的变形为第1、2阶振型，如图5
所示。因此着重对该结构的1、2阶振型进行分析优化，振动特性参数如表2所示。
图5  第1、2阶振型
在第1阶和第2阶频率下花键结构均出现了在绕y 轴的弯曲变形，该弯曲振动变形主要位于花键轴和花键轴套的啮
合处，导致啮合处的径向变形与疲劳，是造成连接结构花键齿损坏失效的主要原因之一。
表2  第1、2阶振动特性参数
3 结构优化设计
由以上分析可知，工作过程中应尽可能的避免或减少花
键轴和花键套连接结构在高频振动下工作时间，并且应该提高装配体直径尺寸最小的轴的强度，避免在高频下发生健齿断裂等严重的失效形式。但一般电动汽车电机动力传动系统由减速器、差速器和行星齿轮造成的局部中频振动频率范围一般在10～100Hz [5]
，该范围在中低频振动内范围较广，因此优化目标是适当提高连接结构的1、2阶自振频率，但也不宜提
山东电动汽车高过多，以避开电机高频振动频率范围200～2000Hz 。优化后新的结构在花键轴上取消了阶梯轴，保证高频率下的动力输出过程花键轴的整体强度；轴材质选用40Cr ，有效利用40Cr 的优异的综合性能，以保证花键键齿的强度。
对优化后的结构进行模态分析，得到振动特性参数如表3所示。
表3  优化后结构第1、2阶振动特性参数
4 结论
根据模态分析结果，可以看出，优化后的结构前两阶振型频率分别提高到136.87Hz 、157.41Hz ，基本避开由减速器、
差速器和行星齿轮造成的局部中频振动，能够达到提高系统可靠性的基本目标。
研究证明，考虑系统振动的影响，利用计算模态分析方法对电动汽车传动系统结构进行有限元分析，可以在设计阶段有效提高结构的可靠性，节省样件试制和试验时间，缩短设计周期和成本，进而提高电动汽车的使用寿命。
参考文献
[1] 赵立军，佟钦智.电动汽车结构与原理[M].北京：北京大学出版社,2012. [2] 马德粮.新能源汽车技术[M].清华大学出版社,2017.
[3] 王亚利.ANSYS 软件在机械结构分析中的应用[J].价值工程.2014(1).
[4] 黄捷，季忠，段虎明，秦树人.机械结构实验模态分析及典型应用[J].
中国测试,2010(3).
[5] 于蓬，王珮琪等.电动车动力传动系机电耦合扭转振动分析与控制
[J].振动与冲击,2017（9）.