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電動汽車兩檔變速器懸置安裝點設(shè)計優(yōu)化

2022-01-16 16:21:10·  來源：新能源汽車  
　
摘要：兩檔變速器利于降低電動汽車能耗，提升續(xù)駛里程；兩檔變速器箱體設(shè)計中，懸置安裝點設(shè)計優(yōu)化是其重點問題之一。基于存在的變速器懸置安裝點斷裂問題，分析
摘 要：兩檔變速器利于降低電動汽車能耗，提升續(xù)駛里程；兩檔變速器箱體設(shè)計中，懸置安裝點設(shè)計優(yōu)化是其重點問題之一。基于存在的變速器懸置安裝點斷裂問題，分析得到變速器懸置安裝點風(fēng)險工況；根據(jù)動力總成慣量及懸置布置位置和剛度參數(shù)，獲得風(fēng)險工況下懸置載荷；對變速器進行有限元建模，約束與電機連接螺栓位置，并在懸置位置施加載荷，計算得到危險工況下變速器應(yīng)力分布；針對應(yīng)力計算結(jié)果，提出傳遞路徑和懸置安裝點區(qū)域局部加筋優(yōu)化方案，并驗證優(yōu)化方案強度提升有效性。優(yōu)化前后的兩檔箱懸置支架剛度計算結(jié)果同樣驗證了優(yōu)化方案對整體結(jié)構(gòu)性能提升的效果。
關(guān)鍵詞：電動汽車；兩檔變速器；懸置安裝點；強度；剛度
1 前言
純電動汽車是新能源汽車發(fā)展的重點方向，其需要解決的問題包括安全性能、續(xù)駛里程、環(huán)境適應(yīng)性能等。動力總成效率是純電動汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素之一[1]，采用兩檔變速器進行匹配，可以使動力總成運行在高效區(qū)間，從而提高整車經(jīng)濟性能。相關(guān)研究對比發(fā)現(xiàn)：兩檔變速器相比于固定檔變速器整車能耗降低 6.6%，續(xù)駛里程延長7.1%[2]?；陔妱悠?yán)m(xù)駛里程提升需求，兩檔變速器方案得到較多研究[3-7]，相關(guān)研究主要集中在兩檔變速器速比優(yōu)化和換擋策略優(yōu)化等方向，以獲得更好的經(jīng)濟性能。
兩檔變速器在動力性經(jīng)濟性方面提升了電動汽車性能，但同時也帶來換擋沖擊、變速器噪聲等 NVH 風(fēng)險[8]，以及動力總成整體重量增加、成本增加等輕量化和成本風(fēng)險。純電動汽車動力總成存在能量密度高、扭矩響應(yīng)快等特點，在車輛起步、換擋、倒車等工況下，兩檔變速器存在受機械沖擊引起的斷裂風(fēng)險。兩檔變速器斷裂風(fēng)險重點在懸置安裝點位置，其原因主要為整車加速、轉(zhuǎn)彎、上下顛簸等工況時存在由于重力引起的機械沖擊，疊加扭矩引起的懸置支反力等。由于兩檔變速器懸置安裝點位置實際載荷復(fù)雜，在樣件設(shè)計開發(fā)過程中需對其進行分析校核及設(shè)計優(yōu)化，防止發(fā)生斷裂而引起的動力總成脫落、動力中斷等安全問題。
基于某款兩檔變速器設(shè)計開發(fā)過程，根據(jù)類似項目斷裂失效問題，識別斷裂風(fēng)險工況；根據(jù)風(fēng)險工況下載荷計算兩檔變速器強度，并驗證其抗斷裂的性能；通過風(fēng)險工況下應(yīng)力分布結(jié)果，確定傳遞路徑及安裝點附近局部加筋優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的實施在整體重量僅增加 1% 前提下，提升了兩檔變速器風(fēng)險工況強度 10.17%，提升剛度性能 14.2%，解決了其變形及斷裂風(fēng)險。
2 風(fēng)險工況載荷
某款兩檔變速器設(shè)計開發(fā)中，根據(jù)前期原型樣車中變速器主要失效模式統(tǒng)計，懸置安裝點位置斷裂破壞風(fēng)險是其首要且最嚴(yán)重的設(shè)計風(fēng)險，影響到整車的耐久及安全。根據(jù)懸置安裝點斷裂形式分析，變速器斷裂位置處于螺栓上方，主要受 Z 向載荷引起。根據(jù)電動車懸置載荷分解工況，與 Z 向載荷相關(guān)的有 Z 向上下 5g 工況，以及 Z 向上下 5g/Y 向左右 3g 工況；該部分工況中，Z 向 -6g/Y 向 ±3g 工況為最危險工況，相比 Z 向上下 5g 工況和 Z 向 4g/Y 向 ±3g工況更嚴(yán)苛，作為強度校核危險工況使用 ,見圖 1。


圖 1 前期項目懸置安裝點斷裂


根據(jù)動力總成重量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量，以及懸置設(shè)計位置及設(shè)計剛度，建立動力總成 6 自由度剛體模型，可計算出給定工況下懸置點載荷方向及大小[9]；根據(jù)以上參數(shù)輸入計算得到兩檔變速器殼體相連接的左懸置分解載荷如表 1 所示，該動力總成整體重量 107.90kg，左右懸置靜剛度相同，后懸置采用拉桿懸置。在動力總成 6g 向下3g 向右工況下，連接兩檔箱箱體的左懸置承 擔(dān) X 向 49.291N,Y 向 -2597.800N,Z 向-2360.500N 載荷，動力總成 6g 向下 3g 向左工況下，左懸置承擔(dān) X 向 -19.898N,Y 向513.110N,Z 向 -3701.600N 載荷，該兩工況載荷將作為設(shè)計優(yōu)化載荷目標(biāo)。
3 兩檔變速器懸置安裝點強度
根據(jù)兩檔變速器數(shù)模及零部件材料參數(shù)，建立兩檔變速器有限元模型。約束兩檔變速器箱體與電機連接螺栓位置，并在懸置支架位置加載懸置分解的載荷，進行箱體懸置安裝點強度仿真計算。該有限元模型采用 5mm單元尺寸，使用四面體單體建模。螺栓使用rbe2 模 擬， 軸 承 rbe3-rbe2-rbe3 模 擬， 并釋放繞 rbe2 方向的旋轉(zhuǎn)自由度。建模完成后單元總數(shù)量 529512 個，箱體總重 18.83kg，與變速器重量 18.8kg 一致，見圖 2。
根據(jù)變速器殼體廠家提供的殼體材料（ADC12），根據(jù)經(jīng)驗定義可承受應(yīng)力為100MPa， 為 ADC12 材 料 的 理 論 屈 服 強 度170MPa 的 60%；該材料性能的降低由實際材料生產(chǎn)及零部件制造工藝等引起。變速器殼體懸置支架安裝點位置強度計算結(jié)果如下所示，Z-6gY3g 工況最大應(yīng)力 86.3MPa，滿足小于 100MPa 的要求；Z-6gY-3g 工況最大應(yīng)力 108.1MPa，不滿足小于 100MPa 的要求，需要優(yōu)化，見表 2, 見圖 3。
4 強度設(shè)計優(yōu)化方案
根據(jù) Z-6gY-3g 工況兩檔變速器箱體應(yīng)力分布圖，應(yīng)力集中及超過經(jīng)驗指標(biāo)的位置主要為箱體加強筋。根據(jù)約束—加載位置力傳遞路徑及危險區(qū)域分析，箱體優(yōu)化采用內(nèi)部加筋以強化力傳遞，懸置支架安裝位置局部加筋以優(yōu)化局部力分布的方案進行。具體加筋優(yōu)化方案如圖 4，優(yōu)化后電機側(cè)箱體重量從 4.825kg 增加為 4.918kg，增加0.093kg；懸置側(cè)箱體重量從 8.461kg 增加 為 8.544kg， 增 加 0.083kg。優(yōu) 化 方 案合計增加重量 0.176kg，相比原兩檔變速器18.83kg 增重 0.93%，重量增加較小，滿足要求。
將箱體替換為優(yōu)化方案箱體，其它不變。變速器殼體懸置支架安裝點位置強度優(yōu)化計算結(jié)果皆滿足100MPa應(yīng)力，滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)要求。危險工況Z-6gY-3g最大應(yīng) 力 從 108.1MPa 降 低 到 98.12MPa， 降 低10.17%；在重量增加不到 1% 的代價下，度性能增加 10% 以上，優(yōu)化方案較好的解決了原箱體懸置安裝點強度風(fēng)險，效果較好 ,見表 3，見圖 5。
5 優(yōu)化方案剛度驗證
根據(jù)建立的箱體有限元模型，約束兩檔變速器箱體與電機連接螺栓位置，在懸置彈性中心位置施加載荷 1000N，并根據(jù)位移仿真結(jié)果對剛度進行計算。剛度計算結(jié)果可驗證強度優(yōu)化后懸置支架 + 兩檔變速器箱體的整體抗變形能力，并需滿足前期對標(biāo)得到的剛度預(yù)設(shè)指標(biāo)：X7000N/mm，Y3000N/mm，Z6000N/mm。
變速器殼體懸置支架剛度 X/Y 向剛度皆超出 10000N/mm，無風(fēng)險；原方案 Z 向剛度 5840N/mm 小于 6000N/mm，不滿足原指標(biāo)要求，可能導(dǎo)致極限工況時懸置支架變形過大，引起動力總成振動噪聲隔離差、動力總成異響甚至兩檔變速器和懸置支架破壞問題。進行優(yōu)化后，支架三向剛度獲得不同程度的提升，主要風(fēng)險方向 Z 向提升14.2%，達到 6670N/mm，滿足設(shè)計目標(biāo)，見表 4。
6 結(jié)論
電動汽車使用兩檔變速器有利于提升續(xù)駛里程，解決能耗問題。兩檔變速器懸置支架安裝點設(shè)計需引起重視，以防止可能出現(xiàn)的斷裂和變形風(fēng)險。某兩檔變速器設(shè)計開發(fā)過程中，根據(jù)前期單檔變速器懸置支架安裝點斷裂風(fēng)險的總結(jié)分析，提出懸置支架安裝點風(fēng)險分析工況，并根據(jù)動力總成及懸置參數(shù)，計算出風(fēng)險工況懸置載荷。根據(jù)風(fēng)險工況懸置載荷，進行了兩檔變速器強度校核，計算應(yīng)力結(jié)果最高為108.1MPa，不滿足前期經(jīng)驗設(shè)計強度指標(biāo)。采用傳遞路徑和風(fēng)險位置加筋等優(yōu)化處理后，最高應(yīng)力值 98.12MPa，應(yīng)力幅值降低 10% 以上，重量增加則小于 1%。兩檔變速器和懸置支架剛度仿真結(jié)果驗證了優(yōu)化方案的有效性，風(fēng)險工況 Z 向剛度提高 14.2%，優(yōu)化后 Z 向剛度達到 6670N/mm，滿足設(shè)計目標(biāo)。
作者：辛雨 趙遷 魏躍遠(yuǎn) 原誠寅
作者單位：北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司 北京市 100176 
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