混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析

徐天稷 丁永根 王春雷

摘 要：本文涉及一款混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作，通過(guò)對(duì)整車性能需求和實(shí)際工況分析，具有針對(duì)性的對(duì)混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析和校核計(jì)算，最終設(shè)計(jì)完成了一款混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：混動(dòng)重卡;電機(jī)設(shè)計(jì);仿真分析;熱管理;振動(dòng)強(qiáng)度

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(dòng)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(duì)卡車市場(chǎng)尤其是重卡平臺(tái)，混合動(dòng)力系統(tǒng)依然存在著純電動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，例如系統(tǒng)動(dòng)力性強(qiáng)，不受充電設(shè)備限制等，應(yīng)國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠需求，開(kāi)展匹配42噸以上重卡車輛并聯(lián)式混動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的定制化設(shè)計(jì)與研究工作。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

以設(shè)計(jì)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(jì)方案的框架及其各部件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料，設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)。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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(duì)于整車來(lái)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(jì)必須兼顧整車?yán)鋮s系統(tǒng)水泵揚(yáng)程范圍。同時(shí)還要充分考慮重卡車輛的實(shí)際惡劣情況，如長(zhǎng)時(shí)間在高速公路運(yùn)行實(shí)際冷卻液流量、溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此須對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行充分的研究與分析。

通過(guò)ANSYS仿真軟件的Fluent模塊，進(jìn)行流阻仿真分析，在設(shè)計(jì)流速為20L/min情況下，電機(jī)水道水流通暢，流速正常，無(wú)明顯死區(qū)，如圖2所示;壓力分布均勻合理達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，壓差損失為ΔP=13.65kPa，如圖3所示。

同時(shí)，通過(guò)ANSYS仿真軟件的Maxwell模塊，對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)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(duì)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(shí)，繞組最高溫度達(dá)到134℃，如圖6所示。

3.2 振動(dòng)強(qiáng)度分析

電機(jī)通過(guò)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(dòng)機(jī)，機(jī)殼懸置與整車車架相連，根據(jù)國(guó)內(nèi)重卡車輛的路譜分析和參考國(guó)內(nèi)外重卡產(chǎn)品的相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)專用的PSD譜對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)連接的后端蓋最大應(yīng)力約為70MPa，發(fā)生在Z軸振動(dòng)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(dòng)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(jì)

由于重卡電機(jī)需求扭矩大，鐵心長(zhǎng)度和重量以及磁場(chǎng)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(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮重力和磁力對(duì)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。

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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，需同時(shí)連接作為輸入端的發(fā)動(dòng)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。

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(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮實(shí)際工況的惡劣性，如著重分析實(shí)際路譜的復(fù)雜性、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)余量以及電機(jī)本身的影響因素等;

2.混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、整車懸置相連，應(yīng)充分考慮使用過(guò)程中耦合性工況，如換擋機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的沖擊載荷，耦合扭矩對(duì)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度和疲勞壽命的影響;

3.通過(guò)對(duì)混動(dòng)重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析，為后續(xù)其他重卡電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，具有參考意義。

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