電動汽車電機殼體輕量化研究

侯芊荷　丁殿勇　白鑫　韓嘉偉　黃漢彰　董曉武

摘 要：本文面向電動汽車電機輕量化研究，以某電機驅動電動汽車為目標對象，調查電機輕量化技術路徑，分析其可行性，進行電動汽車電機殼體輕量化設計，為電動汽車輕量化提供技術參考和理論支持。本文對純電動汽車電機殼體在6種不同工況下的強度進行了分析評價，使用Hypermesh、Optistruct等軟件，運用拓撲優化方法，優化設計了純電動汽車電機殼體，保證其在不同運行工況下強度均滿足使用要求，以降低電機殼體的質量為設計目標，改善電動汽車的能源利用率。結果顯示，經過優化后電機殼體的質量相較之前下降了12.3%，為電動汽車電機殼體的優化設計提供了經驗。

關鍵詞：電動汽車電機殼體 拓撲優化 輕量化

Research on the Lightweight of Electric Vehicle Motor Housing

Hou Qianhe Ding Dianyong Bai Xin Han Jiawei Huang Hanzhang Dong Xiaowu

Abstract：This paper is oriented to the research on the lightweight of electric vehicle motors，taking a motor-driven electric vehicle as the target object，investigating the technical path of the motor lightweight，analyzing its feasibility，and carrying out the lightweight design of the electric vehicle motor housing，and providing a technical reference for the lightweight of electric vehicles and theoretical support. This paper analyzes and evaluates the strength of pure electric vehicle motor housing under 6 different working conditions. Using Hypermesh，Optistruct and other software，and the topology optimization methods，the pure electric vehicle motor housing is optimized to ensure that it is in different conditions. Under the operating conditions，the strength meets the requirements of use，and the design goal is to reduce the quality of the motor housing to improve the energy efficiency of electric vehicles. The results show that the quality of the motor housing after optimization has dropped by 12.3% compared to before，which provides experience for the optimal design of the motor housing of electric vehicles.

Key words：electric car motor housing，topology optimization，lightweight

近年來，我國純電動汽車保有量迅速增多，已逐漸成為未來發展的趨勢。在制約純電動汽車發展的影響因素中，汽車質量的增加將對動力性和燃油經濟性產生較大的影響。電動機作為電動汽車驅動系統中不可缺少的零件，其結構較為復雜，質量一般較大。根據資料顯示，將汽車的整備質量下降十分之一，純電動汽車的續航里程將會被提升百分之十至百分之二十 。輕量化被視為實現節能減排最經濟且行之有效的手段。王良模等[1]針對某越野車在行駛路況復雜、載荷多變等情況下，動力總成殼體出現開裂的現象，運用有限元模態分析和模態試驗相結合的方法，研究了動力總成的振動模態，并對其進行了結構優化。針對動力總成殼體的輕量化設計，Kandreegula等[2]采用非線性拓撲優化的方法對變速器殼體進行結構優化及輕量化設計。袁世林等人[3]在保證結構強度的前提下，對箱體進行輕量化設計，實現了在產品設計初期對變速器箱體的結構設計和強度預測，為后續設計提供借鑒，縮短了產品開發周期。上述研究主要是利用結構優化設計手段對傳統燃油車動力總成殼體進行輕量化設計。然而，純電動汽車電機殼體相對燃油車動力總成結構更加復雜，輕量化性能要求更高。故需要從設計優化、材料匹配、制造工藝等多方面對純電動汽車電機殼體進行輕量化設計。

本文提出一種以保證續航里程、提高整車性能以及實現汽車輕量化為目標來降低電動汽車電機殼體質量的方法，這一方法將為之后的輕量化設計提供設計經驗。

1 電機殼體輕量化技術路線

純電動汽車電機輕量化是指在保證電機使用性能的條件下，以改善汽車動力性和能源利用率為目標，盡可能的降低電機質量。

1.1 電動汽車電機殼體結構優化

目前常用的零件結構優化方法共有三種，分別是尺寸優化、形貌優化和拓撲優化。相比于尺寸優化和形貌優化，拓撲優化可以更好的綜合模型的使用情況來進行優化設計，其設計對象為零件結構不同的節點分布和所屬位置。本文采用拓撲優化方法。

1.2 電動汽車電機殼體應用材料

輕量化設計中輕量化材料的選擇是最重要的環節，材料的屈服強度和抗拉強度決定了零件結構的許用應力，在多元材料設計體系下合理的使用各種材料才能有效實現輕量化。經過調研，達到與400kg普通鋼相等強度時所需材料的質量如圖1所示，可以看出碳纖維復合材料的輕量化程度最好，但其制造成本較高，目前只有一些高端車型或部分零部件有應用。目前市場上鎂、鋁合金被廣泛應用于制造領域，在考慮經濟因素的影響下，鎂鋁合金的材料密度低、提高材料強度性能顯著，輕量化效果最好。且鎂、鋁合金是環保型材料，廢料可回收利用。

1.3 電動汽車電機殼體制造工藝

由于新材料的出現，再加上研究人員不斷的努力，許多新型工藝得到了發展，其中以壓鑄為代表的成型工藝在汽車工業的發展中廣泛應用。制造工藝方面，鋁合金可應用低壓鑄造、普通高壓鑄造及半固態觸變工藝，鎂合金可應用高壓真空鑄造和充氧鑄造。

2 電動汽車電機殼體有限元仿真

2.1 電動汽車電機殼體有限元建模

考慮之前所述的影響因素，本文設計的電動汽車電機殼體決定采用ZL114A鋁合金為制造材料。相比于其他鋁合金材料，選用ZL114A鋁合金的目的主要考慮其有良好的力學性能，加工制造方便，且成本適中，符合實際生產制造要求?？紤]該電機殼體的強度和殼體在不同方向的變形量，從模型結構的類型、形狀特征和最終求解精度出發，綜合考慮拓撲優化的形式和特點來選擇繪制的網格單元類型。仿真過程中設定平均網格尺寸為5mm，局部尺寸4mm，最小角度大于10度，最大角度小于150度。完成載荷定義和約束后得到如圖2所示的有限元模型。

2.2 電動汽車電機殼體有限元仿真結果分析

對于該電動汽車電機殼體的強度分析共設定有六種不同工況，其中正常行駛工況下分為三種不同工況，極限行駛工況下亦分為三種不同工況，6種工況分別在有限元分析中表示為：

分別對上述6種工況進行仿真模擬，結果如下：

工況1下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿x軸螺栓孔處，電機殼體所受的最大應力為10.24Mpa，小于鋁合金材料的屈服強度，滿足強度要求。

工況2下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿y軸螺栓孔處，電機殼體所受的最大應力為17.42Mpa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

工況3下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿z軸螺栓孔處，電機殼體所受最大應力為28.39Mpa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

工況4下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿x軸螺栓孔處，所受的最大應力為32.45Mpa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

工況5下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿y軸螺栓孔處，所受的最大應力為48.25Mpa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

工況6下電動汽車電機殼體高應力區主要集中在后端蓋沿z軸螺栓孔處，所受最大應力為56.77Mpa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

通過上述分析，結合不同工況下的電動汽車電機殼體強度云圖，可得結論：該電機殼體模型在六種工況下均滿足強度使用要求，故可以減去電機殼體的部分材料達到電機殼體輕量化的目的。

3 電機殼體的結構優化及輕量化設計

拓撲優化設計[4]多利用Optistruct軟件進行，其基本流程圖為圖3所示。

對電動汽車電機殼體進行拓撲優化設計時，考慮到實際工況下的載荷復雜性，在優化時會人為給模型添加許多原本不存在的約束條件，容易導致計算結果誤差大且精度不高。當這種情況發生時，通過采用慣性釋放[5]的方法，平衡結構所受的外力，從而消除邊界條件對應力計算結果的影響。

首先進行電機殼體拓撲優化計算前處理，定義優化的目標變量為質量，優化的目標為電機殼體減重。接著進行結構拓撲優化，通過設置優化區域、設置優化求解，得到了優化后的結構密度云圖，如圖4和圖5所示。

參考零件結構的密度云圖，選擇相對密度閾值，刪除相對密度小于閾值的單元，保留大于閾值的單元，并對模型進行光滑處理，優化結構。藍色顯示區域是主要優化區域，在此區域內可去除適當的材料，從而完成電機殼體輕量化設計。本文的優化設計主要思路是減薄電機殼體而不改動安裝孔和安裝面，可以減去電機殼體外套、后端蓋和控制器殼體的部分材料，以達到輕量化的目的。

根據上述優化思路，進行電動汽車電機殼體的模型優化[6]。更改電機殼體模型后主要優化在以下三個方面，一是將電動汽車電機殼體內殼體的內表面向外偏置2mm（即向外減薄2mm）;二是將安裝盤厚度尺寸減薄0.8mm;三是將控制器殼體蓋板面向下減薄2mm。

在完成對電機殼體模型修改重建之后，使用零件結構的性能評價方法再次驗證優化結果的強度是否符合設計要求。

通過觀察優化后的強度云圖，可以得到：不同工況下，優化后的電機殼體模型的高應力區與優化前基本相同;優化后不同工況模型所受的最大應力值有所提高，分別為11.03Mpa、23.14Mpa、35.08Mpa、36.55Mpa、64.22Mpa、70.16Mpa，但仍小于鋁合金材料的屈服強度，安全裕度較大，滿足強度的使用要求。

4 優化結果分析

表2顯示了優化前后模型的強度對比，表3顯示了優化前后模型的質量對比?？梢缘贸鲈撛O計優化能夠滿足強度要求，且符合輕量化設計原則;電機殼體質量由原先的15.018kg經過優化后變為13.178kg，減重12.3%，滿足輕量化設計減重效果。

采用本文的優化方法，在滿足強度要求的前提下減少了電機殼體的質量，對電動汽車電機殼體進行了有效的輕量化設計。但在真實運行工況下電機殼體還將存有應力集中等問題，有待進一步研究。

基金項目：江蘇大學第19批大學生科研課題立項資助項目，編號：19A356。

參考文獻：

[1]王良模，王文源，張一京，陳榮華，袁劉凱，張湯赟.基于模態分析的某越野車動力總成殼體結構優化[J].南京理工大學學報，2015，39（03）：358-362.

[2]Kandreegula，Suresh Kumar，et，al. Structural Non-linear Topology Optimization of Transmission Housing and Its Experimental Verification. SAE Technical Paper，2015-01-0098.

[3]袁世林，周磊，胡健.某雙離合自動變速器箱體強度分析和輕量化設計[J].農業裝備與車輛工程，2013，51（09）：39-43.

[4]李好.基于變密度法的連續體結構拓撲優化方法[D].武漢：華中科技大學，2011.

[5]韓鳳霞.剛柔耦合和慣性釋放在轉向節有限元分析應用[J].北京信息科技大學學報，2014，29（4）：82-85.

[6]方源，章桐，于蓬，郭榮.電動車動力總成有限元建模方法的研究[J].機械傳動，2015，39（09）：20-25.