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混動重卡電機系統(tǒng)的設計與仿真分析
2020-10-24 22:29:25· 來源：EDC電驅未來
作者：徐天稷 丁永根丨上海汽車電驅動
1 引言
現(xiàn)階段新能源汽車產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展不斷進步，純電動系統(tǒng)隨著政策的扶持與充電設備的普及，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，不受充電設備限制等，應國內某主機廠需求，開展匹配42噸以上重卡車輛并聯(lián)式混動電機系統(tǒng)的定制化設計與研究工作。
2 電機設計
以設計關鍵零部件的可靠性，各零件的制造工藝、加工成本，以及整機裝配工藝、可維護性、配置合理性等為前提，確定設計方案的框架及其各部件的結構尺寸和材料，設計過程結合機械設計學、材料學、金屬加工工藝學、熱力學、流體力學、電磁學等多學科知識。并結合整車配置要求以及技術需求，利用Solidworks、ANSYS等軟件工具進行開發(fā)設計與仿真分析。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。冷卻系統(tǒng)的設計必須兼顧整車冷卻系統(tǒng)水泵揚程范圍。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行實際冷卻液流量、溫度達不到設計要求，因此須對冷卻系統(tǒng)進行充分的研究與分析。
圖1 并聯(lián)式混動重卡電機裝配模型
通過ANSYS仿真軟件的Fluent模塊，進行流阻仿真分析，在設計流速為20L/min情況下，電機水道水流通暢，流速正常，無明顯死區(qū)，如圖2所示；壓力分布均勻合理達到設計預期，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，對電機溫度場進行仿真分析，在冷卻液入水溫度為65℃、流量為20L/min的條件下，對電機系統(tǒng)的額定溫升和峰值溫升進行仿真分析。
電機系統(tǒng)于1200Nm、100kW額定工況下持續(xù)運行，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)運行60s時，繞組最高溫度達到134℃，如圖6所示。
圖5 額定工況溫升
圖6 峰值工況溫升
3.2 振動強度分析
電機通過兩側端蓋及懸置固定板固定，即一側連接變速箱，一側連接發(fā)動機，機殼懸置與整車車架相連，根據(jù)國內重卡車輛的路譜分析和參考國內外重卡產(chǎn)品的相關試驗標準，設計專用的PSD譜對電機系統(tǒng)進行隨機振動仿真分析。
與變速箱連接的前端蓋最大應力約為153MPa，發(fā)生在Y軸振動方向，材料為A356，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=1.2，如圖7所示。
與發(fā)動機連接的后端蓋最大應力約為70MPa，發(fā)生在Z軸振動方向，材料為A356，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=2.6，如圖8所示。
與整車懸置相連的機殼最大應力約為199MPa，發(fā)生在Y軸振動方向，材料為2A12，屈服強度為275MPa，安全系數(shù)n=1.4，如圖9所示。
4 轉子結構設計
由于重卡電機需求扭矩大，鐵心長度和重量以及磁場強度遠超一般客車、轎車使用的電機系統(tǒng)，因此在轉子結構設計過程中應充分考慮重力和磁力對軸承、轉軸使用壽命的影響，轉子結構模型，如圖10所示。
軸承作為電機系統(tǒng)的關鍵零部件，使用壽命的校核工作十分重要，電機系統(tǒng)的最高工作轉速為3000rpm。為滿足軸承壽命和轉速的要求，電機系統(tǒng)選用6215深溝球軸承，軸承壽命校核結果，如表2所示。
圖7 前端蓋強度仿真
圖8 后端蓋強度仿真
圖9 機殼強度仿真
圖10 轉子結構模型
表2 軸承壽命計算結果
軸的強度是滿足產(chǎn)品正常運行的關鍵，并聯(lián)式混動電機系統(tǒng)，需同時連接作為輸入端的發(fā)動機與作為輸出端的變速箱，在仿真分析中，應充分考慮輸入、輸出綜合狀態(tài)下的耦合扭矩。
圖11 輸入端軸的強度仿真
圖12 輸出端軸的強度仿真
輸入端電機軸在峰值扭矩1800Nm工況下，產(chǎn)生的最大應力為373MPa，位于輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全系數(shù)n=2，如圖11所示。
輸出端電機軸在峰值扭矩2200Nm工況下，產(chǎn)生的最大應力為68MPa，位于輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全系數(shù)n=12，如圖12所示。
5 總結
1.重卡車輛電機系統(tǒng)設計過程中，應充分考慮實際工況的惡劣性，如著重分析實際路譜的復雜性、冷卻系統(tǒng)的設計余量以及電機本身的影響因素等；
2.混動重卡電機系統(tǒng)與發(fā)動機、變速箱、整車懸置相連，應充分考慮使用過程中耦合性工況，如換擋機構對電機系統(tǒng)的沖擊載荷，耦合扭矩對轉軸強度和疲勞壽命的影響；
3.通過對混動重卡電機系統(tǒng)的設計與仿真分析，為后續(xù)其他重卡電機系統(tǒng)的設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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