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(zé)任公司 智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

前言

P2架構(gòu)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(chǎn)生大量的熱，而由于結(jié)構(gòu)的特殊性，無法通過內(nèi)部的循環(huán)油進行散熱，因此應(yīng)設(shè)計專用的電機冷卻系統(tǒng)[1]。某P2架構(gòu)的混動變速器采用的是電機殼體和套在電機定子外側(cè)的水套組成的封閉腔作為冷卻液循環(huán)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(yīng)力，以及不同溫度下的熱變形以及熱應(yīng)力，具有重要的工程意義。

1 電機定子水套基本結(jié)構(gòu)

電機冷卻水套主要分為鋼制水套和鋁制水套，鋁制水套導(dǎo)熱性相對較好。因此，某P2架構(gòu)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(guān)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(yīng)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(chǎn)生的壓裝預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力變化。

基于此，本文主要分析安裝預(yù)應(yīng)力以及工作過程中溫度變化帶來的應(yīng)力變化分析，根據(jù)汽車的工作環(huán)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(guān)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(yù)緊應(yīng)力和過盈量有直接關(guān)系，某P2架構(gòu)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(shù)取值0.17，環(huán)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(yīng)力分布。

圖2 安裝過程等效應(yīng)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(yīng)力分布圖可以看出，此時定子已經(jīng)走到了水套的中部位置，鍵槽處的應(yīng)力逐步增大，但仍然未超出最大屈服應(yīng)力。在載荷步16中，定子已經(jīng)完全壓裝到水套中，從應(yīng)力云圖可以看出，水套的最大應(yīng)力已經(jīng)超出了最大應(yīng)力，但是最大應(yīng)力分布區(qū)域較小，因此，水套發(fā)生應(yīng)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(dá)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(yīng)力分析

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

因此，電機在工作的過程中，電機殼內(nèi)部的環(huán)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(shù)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(yù)緊應(yīng)力的變化。

圖4是-40℃、20℃以及125℃時的水套內(nèi)部接觸應(yīng)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(yīng)力分布。

圖4 接觸應(yīng)力分布

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

圖5 等效應(yīng)力分布

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

在高溫下，當(dāng)溫度達(dá)到125℃的時候，水套的接觸應(yīng)力基本消失，這是因為達(dá)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(fēng)險。然后由于有冷卻液的不斷循環(huán)，水套的溫度一般處于80-100℃之間，因此不會有脫出地風(fēng)險。

4 水套的改進以及驗證

在上一小節(jié)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(yīng)力超出了極限應(yīng)力，有變形甚至有脹斷地風(fēng)險，這側(cè)面說明了水套和定子之間地過盈量設(shè)計的偏大，將理論過盈量調(diào)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(nèi)部接觸應(yīng)力云圖，分別模擬了調(diào)整間隙之后的極端低溫下、常溫下、高溫下水套的接觸應(yīng)力分布。

圖6 接觸應(yīng)力分布

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

圖7 等效應(yīng)力分布

從計算結(jié)果來看，接觸應(yīng)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(nèi)。從水套的應(yīng)力云圖可以看出，在極端低溫下，最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在鍵槽處，但是最大應(yīng)力值有所下降，且沒有超過屈服應(yīng)力值，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文基于某P2架構(gòu)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(yīng)力分布，同時對水套和定子之間的理論過盈量進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，常溫下對電機定子和水套進行壓裝產(chǎn)生的應(yīng)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(yōu)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(fēng)險。