電動客車直驅永磁同步電機隨機振動試驗與仿真

王世陽, 陳 闖, 汪海洪

(宇通客車股份有限公司, 鄭州 450016)

直驅電機作為純電動城市客車三電系統的核心部件,其結構安全直接影響車輛安全和使用壽命。城市客車在行駛過程中會受到來自地面隨機載荷的激勵,為保證直驅電機的結構安全,在產品上市前會在振動試驗臺上開展模擬地面隨機載荷的振動試驗[1-6]。本文針對某款直驅電機開展隨機振動試驗時出現的接線盒蓋板開裂現象,借助Ansys Workbench軟件開展隨機振動CAE仿真分析,并進行優化設計和試驗驗證。

1 原產品隨機振動試驗

依據 GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第3部分:機械負荷》[7]中商用車彈性體嚴酷等級加載輸入載荷譜,單個方向的加載時間是32 h,加載速度的均方根值為57.9 m/s2,電機隨機振動試驗的功率譜密度值見表1。

表1 電機功率譜密度和頻率

按照該國標的要求,把原產品電機放置于試驗臺架上開展隨機振動試驗。試驗時,保證電機在臺架中的安裝狀態和在實際車輛中的安裝狀態一致。經過一段時間振動后,接線盒蓋板發生了斷裂現象(如圖1所示)。從圖1中可以清晰地看到,在接線盒蓋板外側,靠近蓋板折彎處中間位置,有3顆螺栓與蓋板連接的位置發生了明顯的斷裂。所以該電機的臺架試驗不滿足要求。

圖1 振動試驗結構件斷裂位置

為了保證產品質量,需分析找出斷裂的根本原因,然后對結構進行優化,并再次進行臺架驗證。

2 仿真分析

2.1 仿真模型的建立

直驅電機的仿真模型為整機模型,包含前后端蓋、殼體、接線盒、定轉子鐵芯、轉軸、軸承等零部件。其中零部件模型的質量、材料及裝配方式會影響建模及仿真結果的精確度。但整機建模時如果細節過多,劃分網格時會產生質量較差的網格且會造成網格數量龐大,導致求解困難。因此,在進行網格處理前,先對幾何模型進行清理,去除對結果影響較小的凸臺、小圓角等幾何特征,對于質量較大或對模型剛度影響較大的零部件應保留[8-10]。

本文采用Ansys Workbench軟件建立仿真模型。綜合考慮計算精度及計算機的運行能力,幾何特征比較復雜的零部件采用四面體網格,幾何特征相對規則的零部件采用六面體網格,網格尺寸都為3 mm。整機模型共有4 587 808個單元、1 086 021個節點。各主要部件的部分材料參數見表2。

表2 電機主要部件部分材料參數

2.2 隨機振動結構失效仿真分析

2.2.1 模態分析

模態是結構體的固有特性,通過模態分析可得到結構體在不同激勵下的動力學響應。約束直驅電機懸置位置和驅動軸結合位置,以模擬其在整車上的裝配環境。采用分塊蘭索斯方法,對電機進行約束模態分析。

通過Ansys Workbench軟件仿真分析,求解直驅電機的模態頻率,其一、二、三階頻率及振型如圖2～4所示。

圖2 直驅電機一階模態(頻率233 Hz)

由圖3和圖4模態振型可知,第二階、第三階模態振型在電機整機斷裂結構件位置變形明顯,而且第二階和第三階模態頻率較低且數值比較接近,容易出現與試驗激振頻率共振現象。

圖3 直驅電機二階模態(頻率438 Hz)

圖4 直驅電機三階模態(頻率446 Hz)

2.2.2 隨機振動結構響應仿真分析

隨機振動分析一般是給結構體輸入隨機載荷譜,確定結構產生的響應是否滿足設計要求[11-12]。其動力學方程:

(1)

式中:M、C、K分別為動力學方程的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。由于試驗激勵載荷F(t)是隨機的,進行正態歸一化處理,結構體的響應結果在統計學上也是服從高斯正態分布[13-15]。

基于前面模態分析的結果,將第一部分中振動臺架試驗的載荷譜輸入到結構模型進行求解,采用模態疊加法得到隨機載荷下的結構響應。首先對動力學方程式(1)進行模態坐標變換,求得結構的若干低階模態,然后采用式(2)計算結構體的響應:

(2)

式中:μ為各節點自由度對應的位移向量;Φ為主模態矩陣;η為模態坐標向量;φi為第i階模態陣型向量;ηi為第i階模態坐標。

通過Ansys Workbench軟件的模態疊加法求得結構的隨機振動響應,對結果后處理獲取直驅電機垂直方向3σ米塞斯應力,如圖5所示。從圖5中可以看出,直驅電機在隨機振動環境中產生了較大的動態應力響應,超出了結構的承載能力,其中接線盒蓋板處的最大應力(72 MPa)超出了結構使用5052材料的疲勞極限(50 MPa)。

圖5 直驅電機垂直方向隨機振動應力云圖

對比前述振動試驗結構件斷裂位置(圖1),仿真應力較高的區域與此基本一致。

3 結構優化及驗證

由于接線盒蓋板件開裂,所以需要進行優化。原產品接線盒蓋板件是沖壓件,壁厚為2 mm。本文從工藝和結構兩方面開展優化。工藝方面,由于沖壓件存在殘余應力,所以新的接線盒蓋板使用鑄造工藝替換沖壓工藝;結構方面,將接線盒蓋板的壁厚增加至6 mm,同時在背面進行加筋處理,以提升蓋板的垂向剛度,同時考慮輕量化需求,在應力較低的區域設計減重槽,既滿足結構剛度強度又兼顧輕量化。經過隨機振動仿真,原斷裂位置處的應力水平降低為23 MPa,如圖6所示。

圖6 優化結構垂直方向振動應力云圖

將優化后的蓋板結構裝配于電機整機上重新開展臺架振動試驗。對每個方向進行32 h的振動試驗后,檢查電機各個部件損傷情況,無開裂現象,電機能正常運行。

4 結束語

本文針對前期臺架振動試驗時發生的接線盒蓋板開裂現象,借助Ansys Workbench軟件建立有限元模型,并開展隨機振動仿真。同時根據實際條件對電機接線盒蓋板結構進行優化,并再次開展隨機振動仿真以確保結構強度安全。最后經振動臺架試驗驗證,結構強度滿足要求,抗振性能良好。