混合動力自動變速器水套仿真分析

趙偉偉，楊瑄，張晨光，馮浩成，丁斌

（陜西法士特齒輪有限責任公司 智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

前言

P2架構的混動變速器的電機在工作的過程中，由于銅損和鐵損會產生大量的熱，而由于結構的特殊性，無法通過內部的循環油進行散熱，因此應設計專用的電機冷卻系統[1]。某P2架構的混動變速器采用的是電機殼體和套在電機定子外側的水套組成的封閉腔作為冷卻液循環通道進行冷卻，水套和定子之間采用過盈配合。由于水套在工作的過程中溫度變化較大，且水套也屬于薄壁件，因此分析水套的壓裝應力，以及不同溫度下的熱變形以及熱應力，具有重要的工程意義。

1 電機定子水套基本結構

電機冷卻水套主要分為鋼制水套和鋁制水套，鋁制水套導熱性相對較好。因此，某P2架構的混動變速器采用的是帶加強筋的鋁制水套。

電機定子，水套和殼體之間的裝配關系如圖1所示，電機定子鐵芯和水套通過過盈配合進行裝配，而水套和電機殼體之間是絕對間隙配合，水套在工作過程中，其工作應力主要來自以下幾個方面：

（1）電機定子和水套之間由于過盈配合產生的壓裝預應力[2]；

（2）電機水套在工作過程中，由于溫度變化帶來的溫度預應力變化。

基于此，本文主要分析安裝預應力以及工作過程中溫度變化帶來的應力變化分析，根據汽車的工作環境溫度，初步確定溫度范圍為-40℃-150℃[3]。

圖1 電機殼體、水套和電機定子之間的裝配關系

2 定子和水套的安裝分析

電機水套和定子之間的安裝主要依靠鍵槽進行周向定位，依靠過盈配合進行固定安裝，水套的預緊應力和過盈量有直接關系，某P2架構的混動變速器，水套和電機定子的理論過盈量為0.165mm，定子、水套、電機殼體的材料特性如表1所示。

定子和水套之間的摩擦系數取值0.17，環境溫度20℃。在ABQUS中采用大位移分析，共分為16個載荷步。圖2是載荷步1，載荷步8以及載荷步16下水套的等效應力分布。

圖2 安裝過程等效應力分布

圖3 安裝過程壓裝力變化

在載荷步1中，電機定子和水套初次進行接觸，在載荷步8中，從應力分布圖可以看出，此時定子已經走到了水套的中部位置，鍵槽處的應力逐步增大，但仍然未超出最大屈服應力。在載荷步16中，定子已經完全壓裝到水套中，從應力云圖可以看出，水套的最大應力已經超出了最大應力，但是最大應力分布區域較小，因此，水套發生應力失效的可能性較小。

圖3是定子壓裝過程壓裝力變化，最大壓裝力達到了57.5kN，因此，更推薦水套進行熱壓裝。

3 水套工作過程中的應力分析

電機在工作的過程中，由于鐵損和銅損的存在，會產生大量的熱，這些熱量主要通過循環冷卻液將熱量帶走。

因此，電機在工作的過程中，電機殼內部的環境溫度是在不斷變化著的，而定子鐵芯、水套以及電機殼因為熱膨脹系數不一致，在相同的溫升下的變形也不一致，因此會帶來定子鐵芯和水套之間的預緊應力的變化。

圖4是-40℃、20℃以及125℃時的水套內部接觸應力云圖，分別模擬了極端低溫下、常溫下、高溫下水套的接觸應力分布。

圖4 接觸應力分布

圖5 是-40℃、20℃以及125℃時的水套內部接觸應力云圖，分別模擬了極端低溫下、常溫下、高溫下水套的應力分布。其應力主要集中在鍵槽處。

圖5 等效應力分布

從圖上可以看出，在極端低溫下，由于熱膨脹系數不同，水套的冷縮率明顯大于定子鐵芯的冷縮率，導致定子和水套之間地過盈量增大，過盈應力變大，最大應力出現在鍵槽處且超過了極限應力，且分布區域較大，有發生變形甚至脹斷地風險。

在高溫下，當溫度達到125℃的時候，水套的接觸應力基本消失，這是因為達到一定溫度之后，水套和定子之間地過盈量會消失。在這種工況下，定子有從水套里脫出地風險。然后由于有冷卻液的不斷循環，水套的溫度一般處于80-100℃之間，因此不會有脫出地風險。

4 水套的改進以及驗證

在上一小節的計算中，水套在極端低溫的狀況下，由于過盈量變大，水套鍵槽處的應力超出了極限應力，有變形甚至有脹斷地風險，這側面說明了水套和定子之間地過盈量設計的偏大，將理論過盈量調整至0.1mm后，再次進行上述分析。

圖6是-40°C、20°C以及108°C時的水套內部接觸應力云圖，分別模擬了調整間隙之后的極端低溫下、常溫下、高溫下水套的接觸應力分布。

圖6 接觸應力分布

圖7 是-40°C、20°C以及108°C時的水套內部接觸應力云圖，分別模擬了調整后的極端低溫下、常溫下、高溫下水套的等效應力分布。

圖7 等效應力分布

從計算結果來看，接觸應力消除時的溫度由125℃降低到了108℃，雖然極限高溫有所降低，但是依然在許可范圍 之內。從水套的應力云圖可以看出，在極端低溫下，最大應力依然出現在鍵槽處，但是最大應力值有所下降，且沒有超過屈服應力值，滿足設計要求。

5 結論

本文基于某P2架構的混合動力自動變速器，模擬計算了水套和定子壓裝過程的壓裝力以及水套的應力分布，同時對水套和定子之間的理論過盈量進行了優化設計，結果表明，常溫下對電機定子和水套進行壓裝產生的應力較大，且壓裝力較大，更推薦熱壓裝工藝；水套和定子之間地過盈量較大，優化后地過盈量降低了在極端低溫下水套變形或者脹斷地風險。