電動(dòng)汽車兩檔變速器懸置安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

辛雨　趙遷　魏躍遠(yuǎn)　原誠(chéng)寅

摘 要：兩檔變速器利于降低電動(dòng)汽車能耗，提升續(xù)駛里程;兩檔變速器箱體設(shè)計(jì)中，懸置安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化是其重點(diǎn)問(wèn)題之一。基于存在的變速器懸置安裝點(diǎn)斷裂問(wèn)題，分析得到變速器懸置安裝點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)工況;根據(jù)動(dòng)力總成慣量及懸置布置位置和剛度參數(shù)，獲得風(fēng)險(xiǎn)工況下懸置載荷;對(duì)變速器進(jìn)行有限元建模，約束與電機(jī)連接螺栓位置，并在懸置位置施加載荷，計(jì)算得到危險(xiǎn)工況下變速器應(yīng)力分布;針對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，提出傳遞路徑和懸置安裝點(diǎn)區(qū)域局部加筋優(yōu)化方案，并驗(yàn)證優(yōu)化方案強(qiáng)度提升有效性。優(yōu)化前后的兩檔箱懸置支架剛度計(jì)算結(jié)果同樣驗(yàn)證了優(yōu)化方案對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能提升的效果。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;兩檔變速器;懸置安裝點(diǎn);強(qiáng)度;剛度

1 前言

純電動(dòng)汽車是新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)方向，其需要解決的問(wèn)題包括安全性能、續(xù)駛里程、環(huán)境適應(yīng)性能等。動(dòng)力總成效率是純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素之一[1]，采用兩檔變速器進(jìn)行匹配，可以使動(dòng)力總成運(yùn)行在高效區(qū)間，從而提高整車經(jīng)濟(jì)性能。相關(guān)研究對(duì)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(zhǎng)7.1%[2]。基于電動(dòng)汽車?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(jì)性能。

兩檔變速器在動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性方面提升了電動(dòng)汽車性能，但同時(shí)也帶來(lái)?yè)Q擋沖擊、變速器噪聲等NVH風(fēng)險(xiǎn)[8]，以及動(dòng)力總成整體重量增加、成本增加等輕量化和成本風(fēng)險(xiǎn)。純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成存在能量密度高、扭矩響應(yīng)快等特點(diǎn)，在車輛起步、換擋、倒車等工況下，兩檔變速器存在受機(jī)械沖擊引起的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。兩檔變速器斷裂風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)在懸置安裝點(diǎn)位置，其原因主要為整車加速、轉(zhuǎn)彎、上下顛簸等工況時(shí)存在由于重力引起的機(jī)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(diǎn)位置實(shí)際載荷復(fù)雜，在樣件設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行分析校核及設(shè)計(jì)優(yōu)化，防止發(fā)生斷裂而引起的動(dòng)力總成脫落、動(dòng)力中斷等安全問(wèn)題。

基于某款兩檔變速器設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，根據(jù)類似項(xiàng)目斷裂失效問(wèn)題，識(shí)別斷裂風(fēng)險(xiǎn)工況;根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)工況下載荷計(jì)算兩檔變速器強(qiáng)度，并驗(yàn)證其抗斷裂的性能;通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)工況下應(yīng)力分布結(jié)果，確定傳遞路徑及安裝點(diǎn)附近局部加筋優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的實(shí)施在整體重量?jī)H增加1%前提下，提升了兩檔變速器風(fēng)險(xiǎn)工況強(qiáng)度10.17%，提升剛度性能14.2%，解決了其變形及斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

2 風(fēng)險(xiǎn)工況載荷

某款兩檔變速器設(shè)計(jì)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(jì)，懸置安裝點(diǎn)位置斷裂破壞風(fēng)險(xiǎn)是其首要且最嚴(yán)重的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，影響到整車的耐久及安全。根據(jù)懸置安裝點(diǎn)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(dòng)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(xiǎn)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(qiáng)度校核危險(xiǎn)工況使用，見(jiàn)圖1。

根據(jù)動(dòng)力總成重量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及懸置設(shè)計(jì)位置及設(shè)計(jì)剛度，建立動(dòng)力總成6自由度剛體模型，可計(jì)算出給定工況下懸置點(diǎn)載荷方向及大小[9];根據(jù)以上參數(shù)輸入計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)優(yōu)化載荷目標(biāo)。

3 兩檔變速器懸置安裝點(diǎn)強(qiáng)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(jī)連接螺栓位置，并在懸置支架位置加載懸置分解的載荷，進(jìn)行箱體懸置安裝點(diǎn)強(qiáng)度仿真計(jì)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(gè)，箱體總重18.83kg，與變速器重量18.8kg一致，見(jiàn)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(yàn)定義可承受應(yīng)力為100MPa，為ADC12材料的理論屈服強(qiáng)度170MPa的60%;該材料性能的降低由實(shí)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(diǎn)位置強(qiáng)度計(jì)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(jiàn)表2，見(jiàn)圖3。

4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(guò)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的位置主要為箱體加強(qiáng)筋。根據(jù)約束—加載位置力傳遞路徑及危險(xiǎn)區(qū)域分析，箱體優(yōu)化采用內(nèi)部加筋以強(qiáng)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(jìn)行。具體加筋優(yōu)化方案如圖4，優(yōu)化后電機(jī)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(jì)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(diǎn)位置強(qiáng)度優(yōu)化計(jì)算結(jié)果皆滿足100MPa應(yīng)力，滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)要求。危險(xiǎn)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(jià)下，強(qiáng)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(diǎn)強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)，效果較好，見(jiàn)表3，見(jiàn)圖5。

5 優(yōu)化方案剛度驗(yàn)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(jī)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(duì)剛度進(jìn)行計(jì)算。剛度計(jì)算結(jié)果可驗(yàn)證強(qiáng)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(duì)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(wú)風(fēng)險(xiǎn);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(shí)懸置支架變形過(guò)大，引起動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲隔離差、動(dòng)力總成異響甚至兩檔變速器和懸置支架破壞問(wèn)題。進(jìn)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(xiǎn)方向Z向提升14.2%，達(dá)到6670N/mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，見(jiàn)表4。

6 結(jié)論

電動(dòng)汽車使用兩檔變速器有利于提升續(xù)駛里程，解決能耗問(wèn)題。兩檔變速器懸置支架安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)需引起重視，以防止可能出現(xiàn)的斷裂和變形風(fēng)險(xiǎn)。某兩檔變速器設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，根據(jù)前期單檔變速器懸置支架安裝點(diǎn)斷裂風(fēng)險(xiǎn)的總結(jié)分析，提出懸置支架安裝點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析工況，并根據(jù)動(dòng)力總成及懸置參數(shù)，計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)工況懸置載荷。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)工況懸置載荷，進(jìn)行了兩檔變速器強(qiáng)度校核，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果最高為108.1MPa，不滿足前期經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。采用傳遞路徑和風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，風(fēng)險(xiǎn)工況Z向剛度提高14.2%，優(yōu)化后Z向剛度達(dá)到6670N/mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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