新能源汽車動力電機花鍵軸設計探討

覃云萍

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 前言

永磁同步電機與差減通過花鍵軸連接，傳遞力矩為整車提供動力。因此花鍵軸的可靠性、耐久性成為動力電機的關鍵。文中就動力電機花鍵軸的設計進行探討。

1 花鍵軸設計

1.1 花鍵軸材料選擇

依據《機械設計手冊》［1］，推薦軸的材質選擇有 Q235、20、35、 45、 40Cr、 35SiMn（42SiMn）、 40MnB、 40CrNi、35CrMo、 38SiMnMo、 37SiMn-2MoV、 38Cr-MoAIA、 20Cr、20CrMnTi、1Cr13、2Cr13、1Crl8-NigTi、QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT600-3等。一般電機廠常用的材質為20Cr、40Cr、20CrMnTi等。某新能源汽車動力電機花鍵軸材質為20CrMnTi。20CrMnTi的材料力學性能如表1所示。

表1 20CrMnTi的材料力學性能

1.2 花鍵軸參數確定

由標準GB/T 3478.1，通過漸開線花鍵計算出該新能源汽車動力電機花鍵參數如表2所示。

表2 花鍵參數

1.3 花鍵軸熱處理工藝

按照《機械設計手冊》要求先表面滲碳 （要求滲碳層厚度0.6～0.8 mm），高頻淬火，最后回火調質。某生產廠家的花鍵軸熱處理工藝順序為裝夾、清洗烘干、滲碳處理、淬火、瀝油、清洗、首檢硬度、回火、金相檢驗，最后檢測硬度［2］。

2 花鍵軸的受力仿真

2.1 花鍵軸的有限元模型建立

通過ANSYS軟件，建立某新能源汽車動力電機花鍵軸的有限元模型［3］，如圖1所示。

2.2 花鍵軸的受力分析

該新能源汽車動力電機花鍵軸的傳遞力扭為250 N·m，受力為磁拉力沿徑向方向［4］、動力電機轉子自重、10g加速度振動載荷，因此受力的總大小為2 000 N，約束前后軸承位［5］。電機花鍵軸的載荷加載圖如圖2所示。

2.3 花鍵軸等效應力云圖

該花鍵軸材料為20CrMnTi，該材料失效屈服極限為500 MPa。通過仿真可知，該花鍵軸的等效應力的最大值出現在軸承室退刀槽處，為89.6 MPa，取1.2倍安全余量［6］，該花鍵軸滿足使用要求。電機花鍵軸的等效應力圖如圖3所示。

2.4 花鍵軸變形云圖

該花鍵軸變形最大處在花鍵軸芯部，最大變形量為0.013 5 mm，變形量很小，滿足使用要求。電機花鍵軸變形云圖如圖4所示。

3 動力電機花鍵軸使用中出現的問題

3.1 問題現象

某新能源車輛通過耐久試驗后，拆開看到花鍵出現嚴重的銹蝕現象。電機花鍵生銹圖片如圖5所示。

3.2 原因分析及對策

經分析電機花鍵與差減花鍵配合后沒有密封，兩者連接處在工作狀態下會產生較大的熱量，產生水汽，導致銹蝕。

為解決花鍵配合后的銹蝕問題，電機花鍵端與差減花鍵配合后增加O型圈進行密封，O型圈材質為氟橡膠［7］。

3.3 效果確認

某該新能源汽車采用此密封方式后，進行同樣條件的耐久試驗，拆開發現花鍵銹蝕明顯減少，但還存在少量的銹蝕現象，需繼續改善密封效果。試驗后的電機花鍵如圖6所示。

4 總結

對新能源動力電機花鍵軸設計、仿真進行探討，并對花鍵軸使用過程中出現的問題進行分析，提出改善方案，為后面新能源動力電機花鍵軸的設計提供了參考。

【1】成大先.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2008.

【2】周繼春.齒輪軸熱處理工藝分析與研究［J］.裝備制造技術，2007（9）:24－26.

【3】Moaveni Saeed.有限元分析——ANSYS理論與應用［M］.北京:電子工業出版社，2005.

【4】陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2007.

【5】李俊峰.理論力學［M］.北京:清華大學出版社，2010.

【6】劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，1991.

【7】常德功，付平.密封設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2009.