電動汽車電機(jī)殼體輕量化研究

侯芊荷　丁殿勇　白鑫　韓嘉偉　黃漢彰　董曉武

摘 要：本文面向電動汽車電機(jī)輕量化研究，以某電機(jī)驅(qū)動電動汽車為目標(biāo)對象，調(diào)查電機(jī)輕量化技術(shù)路徑，分析其可行性，進(jìn)行電動汽車電機(jī)殼體輕量化設(shè)計，為電動汽車輕量化提供技術(shù)參考和理論支持。本文對純電動汽車電機(jī)殼體在6種不同工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析評價，使用Hypermesh、Optistruct等軟件，運用拓?fù)鋬?yōu)化方法，優(yōu)化設(shè)計了純電動汽車電機(jī)殼體，保證其在不同運行工況下強(qiáng)度均滿足使用要求，以降低電機(jī)殼體的質(zhì)量為設(shè)計目標(biāo)，改善電動汽車的能源利用率。結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化后電機(jī)殼體的質(zhì)量相較之前下降了12.3%，為電動汽車電機(jī)殼體的優(yōu)化設(shè)計提供了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：電動汽車電機(jī)殼體 拓?fù)鋬?yōu)化 輕量化

Research on the Lightweight of Electric Vehicle Motor Housing

Hou Qianhe Ding Dianyong Bai Xin Han Jiawei Huang Hanzhang Dong Xiaowu

Abstract：This paper is oriented to the research on the lightweight of electric vehicle motors，taking a motor-driven electric vehicle as the target object，investigating the technical path of the motor lightweight，analyzing its feasibility，and carrying out the lightweight design of the electric vehicle motor housing，and providing a technical reference for the lightweight of electric vehicles and theoretical support. This paper analyzes and evaluates the strength of pure electric vehicle motor housing under 6 different working conditions. Using Hypermesh，Optistruct and other software，and the topology optimization methods，the pure electric vehicle motor housing is optimized to ensure that it is in different conditions. Under the operating conditions，the strength meets the requirements of use，and the design goal is to reduce the quality of the motor housing to improve the energy efficiency of electric vehicles. The results show that the quality of the motor housing after optimization has dropped by 12.3% compared to before，which provides experience for the optimal design of the motor housing of electric vehicles.

Key words：electric car motor housing，topology optimization，lightweight

近年來，我國純電動汽車保有量迅速增多，已逐漸成為未來發(fā)展的趨勢。在制約純電動汽車發(fā)展的影響因素中，汽車質(zhì)量的增加將對動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。電動機(jī)作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中不可缺少的零件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，質(zhì)量一般較大。根據(jù)資料顯示，將汽車的整備質(zhì)量下降十分之一，純電動汽車的續(xù)航里程將會被提升百分之十至百分之二十 。輕量化被視為實現(xiàn)節(jié)能減排最經(jīng)濟(jì)且行之有效的手段。王良模等[1]針對某越野車在行駛路況復(fù)雜、載荷多變等情況下，動力總成殼體出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，運用有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗相結(jié)合的方法，研究了動力總成的振動模態(tài)，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對動力總成殼體的輕量化設(shè)計，Kandreegula等[2]采用非線性拓?fù)鋬?yōu)化的方法對變速器殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計。袁世林等人[3]在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計，實現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計初期對變速器箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度預(yù)測，為后續(xù)設(shè)計提供借鑒，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。上述研究主要是利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計手段對傳統(tǒng)燃油車動力總成殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計。然而，純電動汽車電機(jī)殼體相對燃油車動力總成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，輕量化性能要求更高。故需要從設(shè)計優(yōu)化、材料匹配、制造工藝等多方面對純電動汽車電機(jī)殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計。

本文提出一種以保證續(xù)航里程、提高整車性能以及實現(xiàn)汽車輕量化為目標(biāo)來降低電動汽車電機(jī)殼體質(zhì)量的方法，這一方法將為之后的輕量化設(shè)計提供設(shè)計經(jīng)驗。

1 電機(jī)殼體輕量化技術(shù)路線

純電動汽車電機(jī)輕量化是指在保證電機(jī)使用性能的條件下，以改善汽車動力性和能源利用率為目標(biāo)，盡可能的降低電機(jī)質(zhì)量。

1.1 電動汽車電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前常用的零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法共有三種，分別是尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。相比于尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化可以更好的綜合模型的使用情況來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其設(shè)計對象為零件結(jié)構(gòu)不同的節(jié)點分布和所屬位置。本文采用拓?fù)鋬?yōu)化方法。

1.2 電動汽車電機(jī)殼體應(yīng)用材料

輕量化設(shè)計中輕量化材料的選擇是最重要的環(huán)節(jié)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度決定了零件結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，在多元材料設(shè)計體系下合理的使用各種材料才能有效實現(xiàn)輕量化。經(jīng)過調(diào)研，達(dá)到與400kg普通鋼相等強(qiáng)度時所需材料的質(zhì)量如圖1所示，可以看出碳纖維復(fù)合材料的輕量化程度最好，但其制造成本較高，目前只有一些高端車型或部分零部件有應(yīng)用。目前市場上鎂、鋁合金被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，在考慮經(jīng)濟(jì)因素的影響下，鎂鋁合金的材料密度低、提高材料強(qiáng)度性能顯著，輕量化效果最好。且鎂、鋁合金是環(huán)保型材料，廢料可回收利用。

1.3 電動汽車電機(jī)殼體制造工藝

由于新材料的出現(xiàn)，再加上研究人員不斷的努力，許多新型工藝得到了發(fā)展，其中以壓鑄為代表的成型工藝在汽車工業(yè)的發(fā)展中廣泛應(yīng)用。制造工藝方面，鋁合金可應(yīng)用低壓鑄造、普通高壓鑄造及半固態(tài)觸變工藝，鎂合金可應(yīng)用高壓真空鑄造和充氧鑄造。

2 電動汽車電機(jī)殼體有限元仿真

2.1 電動汽車電機(jī)殼體有限元建模

考慮之前所述的影響因素，本文設(shè)計的電動汽車電機(jī)殼體決定采用ZL114A鋁合金為制造材料。相比于其他鋁合金材料，選用ZL114A鋁合金的目的主要考慮其有良好的力學(xué)性能，加工制造方便，且成本適中，符合實際生產(chǎn)制造要求。考慮該電機(jī)殼體的強(qiáng)度和殼體在不同方向的變形量，從模型結(jié)構(gòu)的類型、形狀特征和最終求解精度出發(fā)，綜合考慮拓?fù)鋬?yōu)化的形式和特點來選擇繪制的網(wǎng)格單元類型。仿真過程中設(shè)定平均網(wǎng)格尺寸為5mm，局部尺寸4mm，最小角度大于10度，最大角度小于150度。完成載荷定義和約束后得到如圖2所示的有限元模型。

2.2 電動汽車電機(jī)殼體有限元仿真結(jié)果分析

對于該電動汽車電機(jī)殼體的強(qiáng)度分析共設(shè)定有六種不同工況，其中正常行駛工況下分為三種不同工況，極限行駛工況下亦分為三種不同工況，6種工況分別在有限元分析中表示為：

分別對上述6種工況進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如下：

工況1下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿x軸螺栓孔處，電機(jī)殼體所受的最大應(yīng)力為10.24Mpa，小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

工況2下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿y軸螺栓孔處，電機(jī)殼體所受的最大應(yīng)力為17.42Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

工況3下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿z軸螺栓孔處，電機(jī)殼體所受最大應(yīng)力為28.39Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

工況4下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿x軸螺栓孔處，所受的最大應(yīng)力為32.45Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

工況5下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿y軸螺栓孔處，所受的最大應(yīng)力為48.25Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

工況6下電動汽車電機(jī)殼體高應(yīng)力區(qū)主要集中在后端蓋沿z軸螺栓孔處，所受最大應(yīng)力為56.77Mpa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

通過上述分析，結(jié)合不同工況下的電動汽車電機(jī)殼體強(qiáng)度云圖，可得結(jié)論：該電機(jī)殼體模型在六種工況下均滿足強(qiáng)度使用要求，故可以減去電機(jī)殼體的部分材料達(dá)到電機(jī)殼體輕量化的目的。

3 電機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[4]多利用Optistruct軟件進(jìn)行，其基本流程圖為圖3所示。

對電動汽車電機(jī)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計時，考慮到實際工況下的載荷復(fù)雜性，在優(yōu)化時會人為給模型添加許多原本不存在的約束條件，容易導(dǎo)致計算結(jié)果誤差大且精度不高。當(dāng)這種情況發(fā)生時，通過采用慣性釋放[5]的方法，平衡結(jié)構(gòu)所受的外力，從而消除邊界條件對應(yīng)力計算結(jié)果的影響。

首先進(jìn)行電機(jī)殼體拓?fù)鋬?yōu)化計算前處理，定義優(yōu)化的目標(biāo)變量為質(zhì)量，優(yōu)化的目標(biāo)為電機(jī)殼體減重。接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，通過設(shè)置優(yōu)化區(qū)域、設(shè)置優(yōu)化求解，得到了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)密度云圖，如圖4和圖5所示。

參考零件結(jié)構(gòu)的密度云圖，選擇相對密度閾值，刪除相對密度小于閾值的單元，保留大于閾值的單元，并對模型進(jìn)行光滑處理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。藍(lán)色顯示區(qū)域是主要優(yōu)化區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可去除適當(dāng)?shù)牟牧?，從而完成電機(jī)殼體輕量化設(shè)計。本文的優(yōu)化設(shè)計主要思路是減薄電機(jī)殼體而不改動安裝孔和安裝面，可以減去電機(jī)殼體外套、后端蓋和控制器殼體的部分材料，以達(dá)到輕量化的目的。

根據(jù)上述優(yōu)化思路，進(jìn)行電動汽車電機(jī)殼體的模型優(yōu)化[6]。更改電機(jī)殼體模型后主要優(yōu)化在以下三個方面，一是將電動汽車電機(jī)殼體內(nèi)殼體的內(nèi)表面向外偏置2mm（即向外減薄2mm）;二是將安裝盤厚度尺寸減薄0.8mm;三是將控制器殼體蓋板面向下減薄2mm。

在完成對電機(jī)殼體模型修改重建之后，使用零件結(jié)構(gòu)的性能評價方法再次驗證優(yōu)化結(jié)果的強(qiáng)度是否符合設(shè)計要求。

通過觀察優(yōu)化后的強(qiáng)度云圖，可以得到：不同工況下，優(yōu)化后的電機(jī)殼體模型的高應(yīng)力區(qū)與優(yōu)化前基本相同;優(yōu)化后不同工況模型所受的最大應(yīng)力值有所提高，分別為11.03Mpa、23.14Mpa、35.08Mpa、36.55Mpa、64.22Mpa、70.16Mpa，但仍小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，安全裕度較大，滿足強(qiáng)度的使用要求。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

表2顯示了優(yōu)化前后模型的強(qiáng)度對比，表3顯示了優(yōu)化前后模型的質(zhì)量對比?？梢缘贸鲈撛O(shè)計優(yōu)化能夠滿足強(qiáng)度要求，且符合輕量化設(shè)計原則;電機(jī)殼體質(zhì)量由原先的15.018kg經(jīng)過優(yōu)化后變?yōu)?3.178kg，減重12.3%，滿足輕量化設(shè)計減重效果。

采用本文的優(yōu)化方法，在滿足強(qiáng)度要求的前提下減少了電機(jī)殼體的質(zhì)量，對電動汽車電機(jī)殼體進(jìn)行了有效的輕量化設(shè)計。但在真實運行工況下電機(jī)殼體還將存有應(yīng)力集中等問題，有待進(jìn)一步研究。

基金項目：江蘇大學(xué)第19批大學(xué)生科研課題立項資助項目，編號：19A356。

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