一款城市客車混合動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)及仿真分析

摘 要：本文以一款城市客車混合動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)及仿真分析為研究對(duì)象，通過(guò)整車對(duì)混動(dòng)總成的要求，分別對(duì)總成的熱管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，以指導(dǎo)該總成系統(tǒng)的后期設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力 熱管理 冷卻 仿真分析 總成設(shè)計(jì) 行星排總成

Design and Simulation Analysis of a City Bus Hybrid Powertrain

Wang Chunlei

Abstract：This paper takes the design and simulation analysis of a city bus hybrid powertrain as the research object. Through the analysis of the requirements of the whole vehicle for the hybrid powertrain， the thermal management system and structural strength of the assembly are simulated and analyzed respectively to guide the later design and optimization of the assembly system.

Key words：hybrid power， thermal management， cooling， simulation analysis， assembly design， planetary row assembly

1 引言

為響應(yīng)國(guó)家“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”對(duì)公共交通節(jié)能減排的要求，新能源混合動(dòng)力系統(tǒng)作為最早進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用的新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已經(jīng)有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用案例，但隨著政策對(duì)城市客車混動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)油率要求年年提升，市場(chǎng)上就需要匹配開發(fā)一款具備高節(jié)油率、高可靠性和高性價(jià)比的混動(dòng)總成系統(tǒng)。

2 總成設(shè)計(jì)

混動(dòng)總成由發(fā)電機(jī)、行星排變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三個(gè)部分集成裝配，混動(dòng)總成系統(tǒng)在整車底盤需要與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼、離合器組件、車架懸置支撐、熱管理系統(tǒng)、萬(wàn)向傳動(dòng)軸等進(jìn)行合理的匹配設(shè)計(jì)，才能使總成系統(tǒng)具備較高的使用可靠性。具體總成模型如圖1所示：

3 總成及部件設(shè)計(jì)仿真分析

3.1 發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度分析

發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要用于整車的發(fā)電和整車的行駛驅(qū)動(dòng)使用，通過(guò)ANSYS軟件可以對(duì)電機(jī)軸在峰值扭矩情況下進(jìn)行前期設(shè)計(jì)仿真分析，用于評(píng)估電機(jī)軸的傳動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理的優(yōu)化。

3.1.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸

轉(zhuǎn)子軸在峰值扭矩350Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 49MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于輸出端花鍵根部，轉(zhuǎn)子軸材料為 20CrMnTi，屈服強(qiáng)度為 850MPa，安全系數(shù)n=17，如圖2所示，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸

轉(zhuǎn)子軸在峰值扭矩1300Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為169MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于輸出端花鍵根部，轉(zhuǎn)子軸材料為20CrMnTi，屈服強(qiáng)度為850MPa，安全系數(shù)n=5，如圖3所示，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

發(fā)電機(jī)殼體冷卻水道流阻是總成冷卻系統(tǒng)中的一部分，在殼體冷卻水道設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮整個(gè)冷卻水道沒有明顯的死水區(qū)域，冷卻液能均勻的對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行散熱，同時(shí)需要考慮電機(jī)殼體的鑄造及加工工藝等。以下通過(guò)ANSYS軟件對(duì)發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體冷卻水道分別進(jìn)行12L/min和16L/min的流量仿真分析，冷卻液入口溫度設(shè)定為65℃，分析結(jié)果如下陳述。

3.2.1 發(fā)電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓差損失ΔP=1.16kPa（如圖4所示），冷卻液流量16L/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓差損失ΔP=2.06kPa（如圖4所示）。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓差損失ΔP=2.78kPa（如圖5所示），冷卻液流量16L/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓差損失ΔP=4.98kPa（如圖5所示）。

3.3 電機(jī)溫額定升仿真設(shè)計(jì)

電機(jī)的溫升是限定電機(jī)性能的主要指標(biāo)之一，電機(jī)損耗主要有繞組損耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、機(jī)械損耗，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)電機(jī)總成進(jìn)行溫升仿真分析，可以指導(dǎo)電機(jī)的電磁及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，評(píng)估溫升設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省成本。

3.3.1 發(fā)電機(jī)額定溫升仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)ANSYS軟件設(shè)定電機(jī)冷卻液流量16L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機(jī)初始溫升65℃，在額定工況60kW/2500rpm/230Nm下運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)，溫升最高點(diǎn)在繞組端部，最高溫度124℃，定子鐵芯最高溫度106℃，如圖6所示。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定溫升仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)ANSYS軟件設(shè)定電機(jī)冷卻液流量12L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機(jī)初始溫升65℃，在額定工況100kW/1600rpm/600Nm下運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)，溫升最高點(diǎn)在繞組端部，最高溫度148.3℃，定子鐵芯最高溫度131.5℃，如圖7所示。

3.4 混動(dòng)總成隨機(jī)振動(dòng)有限元仿真分析

混動(dòng)總成發(fā)電機(jī)前端與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼機(jī)械連接，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體兩側(cè)懸置支撐與整車車架連接，根據(jù)GB/T28046.3-2011振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)行星排系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度校核，簡(jiǎn)化后整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為315kg。

3.4.1 發(fā)電機(jī)前端蓋仿真結(jié)果

發(fā)電機(jī)前端蓋最大應(yīng)力約為195MPa，發(fā)生在X軸振動(dòng)方向，材料為A356.0，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=0.95，安全系數(shù)偏低，后期設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)最大應(yīng)力位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化（圖8）。

3.4.2 發(fā)電機(jī)后端蓋仿真結(jié)果

發(fā)電機(jī)后端蓋最大應(yīng)力約為56MPa，發(fā)生在X軸振動(dòng)方向，材料為A356.0，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=3.3，滿足設(shè)計(jì)要求（圖9）。

3.4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)后端蓋仿真結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電機(jī)后端蓋最大應(yīng)力約為116MPa，發(fā)生在X軸振動(dòng)方向，材料為A356.0，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=1.6，滿足設(shè)計(jì)要求（圖10）。

3.4.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)殼仿真結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)殼最大應(yīng)力約為91MPa，發(fā)生在Y軸振動(dòng)方向，材料為A356.0，屈服強(qiáng)度為185MPa，安全系數(shù)n=2，滿足設(shè)計(jì)要求（圖11）。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)一款城市客車混動(dòng)系統(tǒng)總成進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析，主要包括總成熱仿真分析、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度分析及總成受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及整車車架振動(dòng)的強(qiáng)度分析。通過(guò)前期的設(shè)計(jì)仿真分析結(jié)果，需要對(duì)發(fā)電機(jī)前端蓋殼體較大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，同時(shí)為其他類似的混合動(dòng)力總成產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

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