客車用輪邊電機的輕量化設(shè)計研究

李 紅， 朱克非， 丁永根

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

0 引 言

在節(jié)能環(huán)保、治理霧霾成為社會熱點話題并備受公眾關(guān)注的背景下，推廣以電動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，汽車對世界經(jīng)濟和能源環(huán)境的深層次影響也逐漸顯現(xiàn)[2]。面對全球變暖、空氣污染嚴重、酸雨、資源和能源短缺問題[3]，各國政府也在制定更嚴格的排放標準，引導(dǎo)新能源汽車的發(fā)展。

近年來，中國各大主機廠和造車新勢力在新能源汽車領(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。純電動汽車發(fā)展不僅受制于電機、電池等技術(shù)，消費者對純電動汽車續(xù)駛里程的普遍焦慮更成為阻礙電動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。因此減輕純電動車型的質(zhì)量、提高續(xù)駛里程一直是主機廠不懈追求的目標[4-5]。

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

1 輪邊電機輕量化方案分析

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

目前驅(qū)動電機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。本文將對輪邊電機的機殼、前端蓋、后端蓋和轉(zhuǎn)子等重要部件分別進行不同輕量化設(shè)計。本文研究的輪邊電機的主要性能指標，如表1所示。

表1 輪邊電機主要性能指標

輪邊電機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機主要由轉(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)、定子中的機殼(A356-T6，16.38 kg)以及后端蓋(ADC12，4.13 kg)進行輕量化設(shè)計。

圖1 輪邊電機的基本組成

1.1 工藝輕量化設(shè)計

將輪邊電機前端蓋和機殼合并為一個部件，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防護要求。機殼模型如圖2所示。電機機殼的輕量化設(shè)計方法主要有：

圖2 機殼模型

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

(2)在兼顧散熱的前提下，對機殼厚度進行優(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、出水口合并，利用一個凸臺完成多種功能。

1.2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

后端蓋的輕量化利用HyperWorks有限元軟件中的Optistruct模塊進行優(yōu)化設(shè)計，在保證電機整體性能的前提下，利用拓撲優(yōu)化中的密度法來確定加強筋的數(shù)量和位置，結(jié)合隨機振動，去掉承受最小載荷部位的材料來達到輕量化目的。

后端蓋模型如圖3所示。后端蓋由原來的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部位加固和交叉的原則設(shè)計加強筋。軸承室設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生呼吸模態(tài)，降低電機端蓋輻射噪聲。

圖3 后端蓋模型

1.3 材料輕量化設(shè)計

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。在輪邊電機的鋁塊上調(diào)整軸承壓板一側(cè)的支撐倒角，在保證電機旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生干涉的前提下，將軸向尺寸縮小了3 mm，機殼也相應(yīng)地縮小了3 mm，可以使電機總減重達0.2 kg。轉(zhuǎn)子模型如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子模型

2 輪邊電機優(yōu)化模型的有限元分析

因為整車的應(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生命周期內(nèi)的振動等級要求比較高。尤其傳動系直接受到來自地面的振動影響，故對輪邊電機的振動等級要求更為苛刻。

輪邊電機的輕量化設(shè)計，不僅要保證輪邊電機的各項性能和功能指標正常，更重要的是要滿足振動等級要求。下面主要對優(yōu)化的輪邊電機殼體結(jié)構(gòu)進行隨機振動強度校核分析，確認其能否達到GB/T 28046.3—2011振動標準[9]。

2.1 有限元仿真材料參數(shù)

輪邊電機的材料性能參數(shù)主要如表2所示。

表2 材料性能參數(shù)表

2.2 輪邊電機建模有限元仿真邊界條件

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

圖5 電機整體效果圖

對輪邊電機的機殼和后端蓋模型進行網(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行輪邊電機的隨機振動邊界條件確認，得到前處理效果圖，如圖6所示。

圖6 電機前處理效果圖

輪邊電機隨機振動(加速度)功率譜密度(PSD)的加速度均方根值目標為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 輪邊電機殼體模態(tài)分析

主要對輪邊電機進行了前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 輪邊電機殼體的前8階模態(tài)

2.4 輪邊電機隨機振動分析

輪邊電機的后端蓋隨機振動有限元分析結(jié)果如圖8所示。輪邊電機的后端蓋部分在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 輪邊電機后端蓋應(yīng)力分布

輪邊電機機殼的隨機振動有限元分析結(jié)果如圖9所示。輪邊電機的機殼部分在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 輪邊電機機殼應(yīng)力分布

2.5 輪邊電機隨機振動分析結(jié)果

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

對輪邊電機機殼進行有限元振動分析的結(jié)果顯示，機殼的最大應(yīng)力約為79 MPa，發(fā)生在X軸的振動方向上。機殼選用的材料為A356.0，其屈服強度為185 MPa，安全系數(shù)為2.3左右，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)GB/T 28046.3—2011振動標準，輪邊電機在加速度均方根值為107.3 m/s2的隨機振動條件下，各部件均能滿足振動強度要求。

3 輪邊電機輕量化設(shè)計效果

通過大型客車用輪邊電機的輕量化設(shè)計分析，從輪邊電機的各個機械結(jié)構(gòu)上對輪邊電機進行了輕量化的設(shè)計，并對優(yōu)化后的輪邊電機進行了有限元分析，結(jié)果表明其振動等級滿足GB/T 28046.3—2011的振動設(shè)計要求。輪邊電機模型優(yōu)化前后各部分結(jié)構(gòu)的對比效果如表5所示。

表5 輪邊電機優(yōu)化前后效果對比

對比分析顯示，通過對輪邊電機的輕量化設(shè)計，電機總質(zhì)量降低了13%。

4 結(jié) 語

本文針對大型純電動客車使用的輪邊電機各部分結(jié)構(gòu)開展輕量化設(shè)計分析，并對輕量化設(shè)計后的模型進行了有限元仿真分析計算。經(jīng)過分析校核確認，優(yōu)化后的輪邊電機殼體在振動等級上符合GB/T 28046.3—2011的振動標準，完全滿足安全要求，且有足夠的強度和剛度儲備。結(jié)果顯示，滿足應(yīng)用條件的前提下，對整個輪邊電機輕量化后降重了約13%，有助于整車的輕量化及提高純電動客車的續(xù)駛里程。