客車用輪邊電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)研究

李 紅， 朱克非， 丁永根

(1.上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 201806；2.上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司，上海 201806；3.上海汽車電驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)研究中心，上海 201806)

0 引 言

在節(jié)能環(huán)保、治理霧霾成為社會(huì)熱點(diǎn)話題并備受公眾關(guān)注的背景下，推廣以電動(dòng)汽車為主的新能源汽車成為交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑之一[1]。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展、全球汽車保有量的不斷攀升，汽車對(duì)世界經(jīng)濟(jì)和能源環(huán)境的深層次影響也逐漸顯現(xiàn)[2]。面對(duì)全球變暖、空氣污染嚴(yán)重、酸雨、資源和能源短缺問題[3]，各國(guó)政府也在制定更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)新能源汽車的發(fā)展。

近年來(lái)，中國(guó)各大主機(jī)廠和造車新勢(shì)力在新能源汽車領(lǐng)域加大了投資和研發(fā)力度，一批批新能源汽車不斷推向市場(chǎng)。純電動(dòng)汽車發(fā)展不僅受制于電機(jī)、電池等技術(shù)，消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的普遍焦慮更成為阻礙電動(dòng)車普及和推廣的首要因素。續(xù)駛里程不僅與電池包的容量和能量密度有關(guān)，很大程度上也取決于整車的質(zhì)量。因此減輕純電動(dòng)車型的質(zhì)量、提高續(xù)駛里程一直是主機(jī)廠不懈追求的目標(biāo)[4-5]。

汽車輕量化后可以提高加速性，對(duì)噪聲和振動(dòng)也均有改善。電機(jī)作為整車整備質(zhì)量占比較大的驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可以對(duì)整車的減重做出重要貢獻(xiàn)[6]。輪邊電機(jī)是一種新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在大型公交車上推廣應(yīng)用[7-8]輪邊電機(jī)，可以充分發(fā)揮其控制精度高、效率高、傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，為大型電動(dòng)公交車提供一種新的動(dòng)力搭載方式。本文針對(duì)純電動(dòng)大型公交車應(yīng)用的輪邊電機(jī)開展輕量化設(shè)計(jì)研究，對(duì)輪邊電機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，降低零部件質(zhì)量并提高電機(jī)功率密度。

1 輪邊電機(jī)輕量化方案分析

輪邊電機(jī)輕量化的原則是在保證產(chǎn)品性能和強(qiáng)度安全的前提下，盡量減輕電機(jī)質(zhì)量和降低電機(jī)振動(dòng)噪聲。

目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕量化方法主要有3種，分別為工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化。本文將對(duì)輪邊電機(jī)的機(jī)殼、前端蓋、后端蓋和轉(zhuǎn)子等重要部件分別進(jìn)行不同輕量化設(shè)計(jì)。本文研究的輪邊電機(jī)的主要性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 輪邊電機(jī)主要性能指標(biāo)

輪邊電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子、前軸承、后軸承、后端蓋和接線盒端蓋組成。本文主要對(duì)轉(zhuǎn)子中的軸(20CrMnTi，1.89 kg)、轉(zhuǎn)子端板1(ADC12，0.88 kg)、轉(zhuǎn)子端板2(ADC12，0.65 kg)、轉(zhuǎn)子沖片(硅鋼片，24.2 kg)、定子中的機(jī)殼(A356-T6，16.38 kg)以及后端蓋(ADC12，4.13 kg)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 輪邊電機(jī)的基本組成

1.1 工藝輕量化設(shè)計(jì)

將輪邊電機(jī)前端蓋和機(jī)殼合并為一個(gè)部件，這樣既減少了一道裝配工序，又減少了一道密封工序，使產(chǎn)品能更好地滿足IP67防護(hù)要求。機(jī)殼模型如圖2所示。電機(jī)機(jī)殼的輕量化設(shè)計(jì)方法主要有：

圖2 機(jī)殼模型

(1)優(yōu)化加強(qiáng)筋的數(shù)量和樣式，將加強(qiáng)筋從機(jī)殼內(nèi)部移到機(jī)殼外部，從而減小軸向尺寸，達(dá)到輕量化目的；

(2)在兼顧散熱的前提下，對(duì)機(jī)殼厚度進(jìn)行優(yōu)化，減小外殼厚度；

(3)在滿足裝配要求的前提下，減小配電盒的余量空間；

(4)沙孔與進(jìn)、出水口合并，利用一個(gè)凸臺(tái)完成多種功能。

1.2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

后端蓋的輕量化利用HyperWorks有限元軟件中的Optistruct模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證電機(jī)整體性能的前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化中的密度法來(lái)確定加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)，去掉承受最小載荷部位的材料來(lái)達(dá)到輕量化目的。

后端蓋模型如圖3所示。后端蓋由原來(lái)的10 mm壁厚改為4 mm壁厚，并根據(jù)盡量避免筋與筋之間在同一個(gè)部位加固和交叉的原則設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。軸承室設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生呼吸模態(tài)，降低電機(jī)端蓋輻射噪聲。

圖3 后端蓋模型

1.3 材料輕量化設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)子材料選擇上采用輕量化組合搭配，用鋁支撐代替部分硅鋼片，使質(zhì)量大大減輕。在輪邊電機(jī)的鋁塊上調(diào)整軸承壓板一側(cè)的支撐倒角，在保證電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生干涉的前提下，將軸向尺寸縮小了3 mm，機(jī)殼也相應(yīng)地縮小了3 mm，可以使電機(jī)總減重達(dá)0.2 kg。轉(zhuǎn)子模型如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子模型

2 輪邊電機(jī)優(yōu)化模型的有限元分析

因?yàn)檎嚨膽?yīng)用工況比較復(fù)雜，需要滿足各種地形、各種駕駛工況的要求，所以整車零部件在整個(gè)生命周期內(nèi)的振動(dòng)等級(jí)要求比較高。尤其傳動(dòng)系直接受到來(lái)自地面的振動(dòng)影響，故對(duì)輪邊電機(jī)的振動(dòng)等級(jí)要求更為苛刻。

輪邊電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，不僅要保證輪邊電機(jī)的各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)正常，更重要的是要滿足振動(dòng)等級(jí)要求。下面主要對(duì)優(yōu)化的輪邊電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度校核分析，確認(rèn)其能否達(dá)到GB/T 28046.3—2011振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

2.1 有限元仿真材料參數(shù)

輪邊電機(jī)的材料性能參數(shù)主要如表2所示。

表2 材料性能參數(shù)表

2.2 輪邊電機(jī)建模有限元仿真邊界條件

在簡(jiǎn)化掉的部件質(zhì)心處建立等效的質(zhì)量點(diǎn)。簡(jiǎn)化部件及質(zhì)量前后的電機(jī)模型如圖5所示，簡(jiǎn)化后整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為80 kg。

圖5 電機(jī)整體效果圖

對(duì)輪邊電機(jī)的機(jī)殼和后端蓋模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并依據(jù)GB/T 28046.3—2011規(guī)定的乘用車非彈性體要求進(jìn)行輪邊電機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)邊界條件確認(rèn)，得到前處理效果圖，如圖6所示。

圖6 電機(jī)前處理效果圖

輪邊電機(jī)隨機(jī)振動(dòng)(加速度)功率譜密度(PSD)的加速度均方根值目標(biāo)為107.3 m/s2，其他相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 PSD參數(shù)值

2.3 輪邊電機(jī)殼體模態(tài)分析

主要對(duì)輪邊電機(jī)進(jìn)行了前14階的模態(tài)有限元分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 輪邊電機(jī)前14階模態(tài)的固有頻率 Hz

其中前8階的模態(tài)振型如圖7所示。

圖7 輪邊電機(jī)殼體的前8階模態(tài)

2.4 輪邊電機(jī)隨機(jī)振動(dòng)分析

輪邊電機(jī)的后端蓋隨機(jī)振動(dòng)有限元分析結(jié)果如圖8所示。輪邊電機(jī)的后端蓋部分在X軸方向上的最大應(yīng)力值為76.62 MPa；在Y軸方向上的最大應(yīng)力值為68.27 MPa；在Z軸方向上的最大應(yīng)力值為73.43 MPa。

圖8 輪邊電機(jī)后端蓋應(yīng)力分布

輪邊電機(jī)機(jī)殼的隨機(jī)振動(dòng)有限元分析結(jié)果如圖9所示。輪邊電機(jī)的機(jī)殼部分在X軸方向上的最大應(yīng)力值為78.78 MPa；在Y軸方向上的最大應(yīng)力值為76.98 MPa；在Z軸方向上最大應(yīng)力值為67.43 MPa。

圖9 輪邊電機(jī)機(jī)殼應(yīng)力分布

2.5 輪邊電機(jī)隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

對(duì)輪邊電機(jī)后端蓋進(jìn)行有限元振動(dòng)分析的結(jié)果顯示，后端蓋的最大應(yīng)力約為77 MPa，發(fā)生在X軸的振動(dòng)方向上。后端蓋選用的材料為ADC12，其屈服強(qiáng)度為154 MPa，安全系數(shù)為2左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)輪邊電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行有限元振動(dòng)分析的結(jié)果顯示，機(jī)殼的最大應(yīng)力約為79 MPa，發(fā)生在X軸的振動(dòng)方向上。機(jī)殼選用的材料為A356.0，其屈服強(qiáng)度為185 MPa，安全系數(shù)為2.3左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)GB/T 28046.3—2011振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，輪邊電機(jī)在加速度均方根值為107.3 m/s2的隨機(jī)振動(dòng)條件下，各部件均能滿足振動(dòng)強(qiáng)度要求。

3 輪邊電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)效果

通過(guò)大型客車用輪邊電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)分析，從輪邊電機(jī)的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上對(duì)輪邊電機(jī)進(jìn)行了輕量化的設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的輪邊電機(jī)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明其振動(dòng)等級(jí)滿足GB/T 28046.3—2011的振動(dòng)設(shè)計(jì)要求。輪邊電機(jī)模型優(yōu)化前后各部分結(jié)構(gòu)的對(duì)比效果如表5所示。

表5 輪邊電機(jī)優(yōu)化前后效果對(duì)比

對(duì)比分析顯示，通過(guò)對(duì)輪邊電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，電機(jī)總質(zhì)量降低了13%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)大型純電動(dòng)客車使用的輪邊電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)開展輕量化設(shè)計(jì)分析，并對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行了有限元仿真分析計(jì)算。經(jīng)過(guò)分析校核確認(rèn)，優(yōu)化后的輪邊電機(jī)殼體在振動(dòng)等級(jí)上符合GB/T 28046.3—2011的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足安全要求，且有足夠的強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備。結(jié)果顯示，滿足應(yīng)用條件的前提下，對(duì)整個(gè)輪邊電機(jī)輕量化后降重了約13%，有助于整車的輕量化及提高純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程。