一款城市客車混合動力總成的設計及仿真分析

摘 要：本文以一款城市客車混合動力總成的設計及仿真分析為研究對象，通過整車對混動總成的要求，分別對總成的熱管理系統、結構強度進行仿真分析，以指導該總成系統的后期設計及優化工作。

關鍵詞：混合動力 熱管理 冷卻 仿真分析 總成設計 行星排總成

Design and Simulation Analysis of a City Bus Hybrid Powertrain

Wang Chunlei

Abstract：This paper takes the design and simulation analysis of a city bus hybrid powertrain as the research object. Through the analysis of the requirements of the whole vehicle for the hybrid powertrain， the thermal management system and structural strength of the assembly are simulated and analyzed respectively to guide the later design and optimization of the assembly system.

Key words：hybrid power， thermal management， cooling， simulation analysis， assembly design， planetary row assembly

1 引言

為響應國家“藍天保衛戰”對公共交通節能減排的要求，新能源混合動力系統作為最早進入市場應用的新能源驅動系統，已經有著廣泛的市場應用案例，但隨著政策對城市客車混動系統的節油率要求年年提升，市場上就需要匹配開發一款具備高節油率、高可靠性和高性價比的混動總成系統。

2 總成設計

混動總成由發電機、行星排變速箱、驅動電機三個部分集成裝配，混動總成系統在整車底盤需要與發動機飛輪殼、離合器組件、車架懸置支撐、熱管理系統、萬向傳動軸等進行合理的匹配設計，才能使總成系統具備較高的使用可靠性。具體總成模型如圖1所示：

3 總成及部件設計仿真分析

3.1 發電機和驅動電機轉子軸強度分析

發電機和驅動電機主要用于整車的發電和整車的行駛驅動使用，通過ANSYS軟件可以對電機軸在峰值扭矩情況下進行前期設計仿真分析，用于評估電機軸的傳動風險點，以指導設計人員進行合理的優化。

3.1.1 發電機轉子軸

轉子軸在峰值扭矩350Nm工況下，產生的最大應力為 49MPa，最大應力點位于輸出端花鍵根部，轉子軸材料為 20CrMnTi，屈服強度為 850MPa，安全系數n=17，如圖2所示，可以滿足設計要求。

3.1.2 驅動電機轉子軸

轉子軸在峰值扭矩1300Nm工況下，產生的最大應力為169MPa，最大應力點位于輸出端花鍵根部，轉子軸材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全系數n=5，如圖3所示，可以滿足設計要求。

3.2 電機殼體冷卻水道流阻仿真分析

發電機殼體冷卻水道流阻是總成冷卻系統中的一部分，在殼體冷卻水道設計過程中，需要考慮整個冷卻水道沒有明顯的死水區域，冷卻液能均勻的對電機定子進行散熱，同時需要考慮電機殼體的鑄造及加工工藝等。以下通過ANSYS軟件對發電機和驅動電機殼體冷卻水道分別進行12L/min和16L/min的流量仿真分析，冷卻液入口溫度設定為65℃，分析結果如下陳述。

3.2.1 發電機殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時對應壓差損失ΔP=1.16kPa（如圖4所示），冷卻液流量16L/min時對應壓差損失ΔP=2.06kPa（如圖4所示）。

3.2.2 驅動電機殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時對應壓差損失ΔP=2.78kPa（如圖5所示），冷卻液流量16L/min時對應壓差損失ΔP=4.98kPa（如圖5所示）。

3.3 電機溫額定升仿真設計

電機的溫升是限定電機性能的主要指標之一，電機損耗主要有繞組損耗、定子鐵耗、轉子鐵耗、機械損耗，通過ANSYS軟件對電機總成進行溫升仿真分析，可以指導電機的電磁及冷卻系統設計，評估溫升設計風險，節省成本。

3.3.1 發電機額定溫升仿真設計

通過ANSYS軟件設定電機冷卻液流量16L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機初始溫升65℃，在額定工況60kW/2500rpm/230Nm下運行至穩定狀態，溫升最高點在繞組端部，最高溫度124℃，定子鐵芯最高溫度106℃，如圖6所示。

3.3.2 驅動電機額定溫升仿真設計

通過ANSYS軟件設定電機冷卻液流量12L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機初始溫升65℃，在額定工況100kW/1600rpm/600Nm下運行至穩定狀態，溫升最高點在繞組端部，最高溫度148.3℃，定子鐵芯最高溫度131.5℃，如圖7所示。

3.4 混動總成隨機振動有限元仿真分析

混動總成發電機前端與發動機飛輪殼機械連接，在驅動電機殼體兩側懸置支撐與整車車架連接，根據GB/T28046.3-2011振動標準，對行星排系統進行隨機振動強度校核，簡化后整個系統的質量約為315kg。

3.4.1 發電機前端蓋仿真結果

發電機前端蓋最大應力約為195MPa，發生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數n=0.95，安全系數偏低，后期設計時需要對最大應力位置進行結構強度優化（圖8）。

3.4.2 發電機后端蓋仿真結果

發電機后端蓋最大應力約為56MPa，發生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數n=3.3，滿足設計要求（圖9）。

3.4.3 驅動電機后端蓋仿真結果

驅動電機后端蓋最大應力約為116MPa，發生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數n=1.6，滿足設計要求（圖10）。

3.4.4 驅動電機機殼仿真結果

驅動電機機殼最大應力約為91MPa，發生在Y軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數n=2，滿足設計要求（圖11）。

4 總結

本文通過對一款城市客車混動系統總成進行設計仿真分析，主要包括總成熱仿真分析、電機轉子軸強度分析及總成受發動機振動及整車車架振動的強度分析。通過前期的設計仿真分析結果，需要對發電機前端蓋殼體較大應力點進行強度優化，同時為其他類似的混合動力總成產品設計提供數據參考。

參考文獻：

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