基于經典工況下電機殼體靜強度分析與結構改進

李訓猛

摘 要：針對某電動車在道路試驗中電機殼體發生開裂現象，對其結構進行了改進設計，采用有限元法對改進前后的電機殼體進行強度分析，并經道路試驗驗證。結果表明，改進后的電機殼體滿足設計要求，路試未再發生強度失效。

關鍵詞：電動車電機 有限元 載荷分解 靜強度失效

Static Strength Analysis and Structural Improvement of Motor Shell Based on Classical Operating Conditions

Li Xunmeng

Abstract：Aiming at the cracking phenomenon of the motor shell of an electric vehicle in the road test， the structure of the motor shell is improved. The finite element method is used to analyze the strength of the motor shell before and after the improvement， and the road test is verified. The results show that the improved motor housing meets the design requirements， and no strength failure occurs again in the road test.

Key words：electric vehicle motor， finite element， load decomposition， static strength failure

1 前沿

汽車道路試驗是發展汽車工業和汽車科學技術的一個重要手段，汽車的使用條件十分惡劣，因此汽車在道路上進行實際行駛試驗是汽車工作中的一個不可缺少的環節。汽車道路試驗的基本目的是了解新設計的、已生產的或經改進的汽車是否符合使用要求，是否適應復雜的使用條件，發現的缺陷與問題，通過比較和反復試驗，找到改進提高的措施。通過有限元法模擬和道路試驗有機結合，可以實現汽車開發過程中關鍵零部件的有效預測，大幅降低實物的試驗次數，更容易找到改進方案，以縮短開發周期，降低成本。

本文依據有限元強度分析方法，建立了簡化后的電機強度模型，結合經典工況下，對載荷譜處理和載荷分解獲取準確的載荷，對電機殼體進行強度分析。通過對電機殼體應力的分布和道路試驗失效模式的對比，使用有限元軟件對該電機殼體結構進行了結構改進，并結合實際的道路試驗驗證，驗證了有限元法的有效性。

2 靜強度失效模式

靜強度失效，機械零件在受拉、壓、彎、扭等外載荷作用時，由于某一危險截面上的靜應力超過零件的強度極限而發生斷裂或破壞;當作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，則零件將產生塑性變形，塑性變形將導致精度下降或定位不準等，嚴重影響零件的正常工作。

汽車部件主要以鋼材為主，主要的強度失效形式是應力大于屈服極限，出現塑性變形。相應條件為：

評價某個部件是否失效，只需要確定危險點的應力狀態max是否小于該材料的屈服極限。

對于以鋼材為主的汽車部件，采用強度理論的第四強度理論，該理論認為形狀改變比能是引起屈服的主要因素，即不論什么應力狀態，只要形狀改變比能Uf達到與材料性質有關的某一極限值，材料就發生屈服。其數學表達式為：

式中1、2、3為三個方向的主應力。

3 電機殼體路試失效

3.1 失效模式

某款工裝電動車在誤用工況路試階段，在搓板路面上，汽車加速到40Km/h，行駛2s后緊急制動到零，該過程循環一次之后，電機殼體發生開裂，基于以上情況判定為強度失效。對該斷口進行材料化學成分和工藝成型分析，均滿足材料性能和工藝要求，因此對該結構進行改進設計。

3.2 載荷譜采集與分解

根據采集到的載荷譜制定靜態載荷工況，選取連桿X方向峰值受力時刻電機相對于車身的加速度，為了消除載荷譜中存在的高頻毛刺，在選取加速度之前對載荷譜進行了50Hz以下的低通濾波;選取電機峰值加速度作為靜載荷加速度工況。通過以上方式選取了以下工況，如下表所示（表1）。

依據實際路試誤用工況進行載荷標定， 誤用工況如圖（圖1）。參考后懸置支架在實車上實際裝配和工作狀態，在試驗臺上對后懸置支架車身側進行固定（圖2），對后懸置支架電機側連接點進行受力標定，受力結果如下表所示（表2）。

3.3 失效原因分析

電機殼體作為電動車動力系統中關鍵零部件，在汽車行駛過程中，承受著來自汽車急加速、急減速、急轉彎等不同的誤用工況的載荷，受力非常復雜。通過對電機殼體模型進行簡化，在靜力工況下對失效原因進行分析。

在預緊力情況下，懸置支架和電機殼體連接緊固，預緊力工況（圖3）下，電機殼體應力已經臨近其屈服強度;繼續施加外載工況下，由于懸臂較長（205mm），Z方向對斷裂支架產生一個彎矩，導致殼體側連接面被壓產生屈服變形，出現凹坑;凹坑的出現導致連接面不平整，造成預緊力衰減，當連接面之間的摩擦力不足以抵抗剪切力導致螺栓X方向晃動時，拉拽螺栓孔外側，產生裂紋源;經過多個循環，最終斷裂。斷裂從螺栓內徑開始，向外撕開。實際照片中，也發現螺紋內有明顯的摩擦，外側端口粗糙，應當由一次性生成。

4 電機殼體結構改進

針對電機殼體開裂問題，必須降低螺栓預緊力下產生的高應力，根據工程經驗和成本角度考慮把螺栓由原來的φ24調整為φ27，經過仿真驗證在螺栓預緊力下，螺栓孔附近的應力已經小于該電機殼體材料的屈服應力，遠低于φ24的應力。

為了保證在誤用工況下，電機殼體在受到Z向大載荷產生彎矩，導致開裂。螺栓孔孔壁厚度增加，螺栓孔附近增加支架，增加Z向支撐，降低在受到外載工況下的應力。

對結構改進前（圖4）與改進后（圖5）的高應力區進行對比，高應力均出現在開裂位置附近，應力均降低，遠小于材料的屈服極限。經過的仿真和放改進，最終確認該方案，從仿真角度來看，該部位不會開裂。

5 誤用工況路試

根據最新的改進方案，進行樣件制作，替換掉工裝樣車的電機，進行誤用工況試驗。在搓板路面，車子加速到40Km/h，保持行駛2s后緊急制動到車速為零，并行駛出該路面，以上循環40次。該試驗順利完成后，并未發現電機殼體開裂，也未發現其它部件開裂，順利解決該問題。

6 結論

1）建立了電機殼體強度模型，通過靜載荷強度分析，高應力區與開裂位置一致，可以有效的預測電機殼體的開裂風險。改進方案順利通過實驗，保證了仿真的有效性。

2）采用仿真模型進行結構改進，降低了實物制作的時間，為前期改進和后期試驗帶來了很大方便，縮短項目周期。無實物結構改進，避免實物反復驗證，降低成本。

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