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混動重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析

2020-10-24 22:29:25·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
作者：徐天稷 丁永根丨上海汽車電驅(qū)動
1 引言
現(xiàn)階段新能源汽車產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展不斷進(jìn)步，純電動系統(tǒng)隨著政策的扶持與充電設(shè)備的普及，正處于快速發(fā)展階段，但針對卡車市場尤其是重卡平臺，混合動力系統(tǒng)依然存在著純電動系統(tǒng)無法替代的優(yōu)勢，例如系統(tǒng)動力性強(qiáng)，不受充電設(shè)備限制等，應(yīng)國內(nèi)某主機(jī)廠需求，開展匹配42噸以上重卡車輛并聯(lián)式混動電機(jī)系統(tǒng)的定制化設(shè)計與研究工作。
 
2 電機(jī)設(shè)計
以設(shè)計關(guān)鍵零部件的可靠性，各零件的制造工藝、加工成本，以及整機(jī)裝配工藝、可維護(hù)性、配置合理性等為前提，確定設(shè)計方案的框架及其各部件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料，設(shè)計過程結(jié)合機(jī)械設(shè)計學(xué)、材料學(xué)、金屬加工工藝學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等多學(xué)科知識。并結(jié)合整車配置要求以及技術(shù)需求，利用Solidworks、ANSYS等軟件工具進(jìn)行開發(fā)設(shè)計與仿真分析。性能需求如表1所示；裝配模型如圖1所示。
 
 
3 仿真分析
3.1 熱管理分析
對于整車來而言，水道流阻和散熱能力是考核冷卻系統(tǒng)的重要指標(biāo)。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計必須兼顧整車?yán)鋮s系統(tǒng)水泵揚(yáng)程范圍。同時還要充分考慮重卡車輛的實際惡劣情況，如長時間在高速公路運(yùn)行實際冷卻液流量、溫度達(dá)不到設(shè)計要求，因此須對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行充分的研究與分析。
 
圖1 并聯(lián)式混動重卡電機(jī)裝配模型
通過ANSYS仿真軟件的Fluent模塊，進(jìn)行流阻仿真分析，在設(shè)計流速為20L/min情況下，電機(jī)水道水流通暢，流速正常，無明顯死區(qū)，如圖2所示；壓力分布均勻合理達(dá)到設(shè)計預(yù)期，壓差損失為ΔP=13.65kPa，如圖3所示。
 
圖2 流量下冷卻液流速分布
 
圖3 流量下冷卻液壓力分布
同時，通過ANSYS仿真軟件的Maxwell模塊，對電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真分析，在冷卻液入水溫度為65℃、流量為20L/min的條件下，對電機(jī)系統(tǒng)的額定溫升和峰值溫升進(jìn)行仿真分析。
電機(jī)系統(tǒng)于1200Nm、100kW額定工況下持續(xù)運(yùn)行，繞組最高溫度穩(wěn)定在121℃，如圖5所示。于1800Nm、150kW峰值狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行60s時，繞組最高溫度達(dá)到134℃，如圖6所示。
 
圖5 額定工況溫升
 
圖6 峰值工況溫升
3.2 振動強(qiáng)度分析
電機(jī)通過兩側(cè)端蓋及懸置固定板固定，即一側(cè)連接變速箱，一側(cè)連接發(fā)動機(jī)，機(jī)殼懸置與整車車架相連，根據(jù)國內(nèi)重卡車輛的路譜分析和參考國內(nèi)外重卡產(chǎn)品的相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計專用的PSD譜對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析。
與變速箱連接的前端蓋最大應(yīng)力約為153MPa，發(fā)生在Y軸振動方向，材料為A356，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=1.2，如圖7所示。
與發(fā)動機(jī)連接的后端蓋最大應(yīng)力約為70MPa，發(fā)生在Z軸振動方向，材料為A356，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=2.6，如圖8所示。
與整車懸置相連的機(jī)殼最大應(yīng)力約為199MPa，發(fā)生在Y軸振動方向，材料為2A12，屈服強(qiáng)度為275MPa，安全系數(shù)n=1.4，如圖9所示。
 
4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于重卡電機(jī)需求扭矩大，鐵心長度和重量以及磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)超一般客車、轎車使用的電機(jī)系統(tǒng)，因此在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮重力和磁力對軸承、轉(zhuǎn)軸使用壽命的影響，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型，如圖10所示。
軸承作為電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，使用壽命的校核工作十分重要，電機(jī)系統(tǒng)的最高工作轉(zhuǎn)速為3000rpm。為滿足軸承壽命和轉(zhuǎn)速的要求，電機(jī)系統(tǒng)選用6215深溝球軸承，軸承壽命校核結(jié)果，如表2所示。
 
圖7 前端蓋強(qiáng)度仿真
 
圖8 后端蓋強(qiáng)度仿真
 
圖9 機(jī)殼強(qiáng)度仿真
 
圖10 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型
表2 軸承壽命計算結(jié)果
 
軸的強(qiáng)度是滿足產(chǎn)品正常運(yùn)行的關(guān)鍵，并聯(lián)式混動電機(jī)系統(tǒng)，需同時連接作為輸入端的發(fā)動機(jī)與作為輸出端的變速箱，在仿真分析中，應(yīng)充分考慮輸入、輸出綜合狀態(tài)下的耦合扭矩。
 
圖11 輸入端軸的強(qiáng)度仿真
 
圖12 輸出端軸的強(qiáng)度仿真
輸入端電機(jī)軸在峰值扭矩1800Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為373MPa，位于輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強(qiáng)度為850MPa，安全系數(shù)n=2，如圖11所示。
輸出端電機(jī)軸在峰值扭矩2200Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為68MPa，位于輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強(qiáng)度為850MPa，安全系數(shù)n=12，如圖12所示。
 
5 總結(jié)
1.重卡車輛電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮實際工況的惡劣性，如著重分析實際路譜的復(fù)雜性、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計余量以及電機(jī)本身的影響因素等；
2.混動重卡電機(jī)系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)、變速箱、整車懸置相連，應(yīng)充分考慮使用過程中耦合性工況，如換擋機(jī)構(gòu)對電機(jī)系統(tǒng)的沖擊載荷，耦合扭矩對轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度和疲勞壽命的影響；
3.通過對混動重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析，為后續(xù)其他重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作積累了一定的經(jīng)驗，具有參考意義。
 
 
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