一種新能源汽車電機(jī)端殼體內(nèi)嵌鋼套在壓鑄模中定位優(yōu)化設(shè)計(jì)*

鄧方貞 ， 鐘 芳 ， 趙 霞 ， 蔡 娟

（1．江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；2．江西華林金建科技有限公司，江西 九江 330300）

0 引言

近年來，新能源汽車得到了快速發(fā)展。2021年，全國(guó)新能源汽車銷量超過350萬(wàn)輛，市場(chǎng)占有率提升至13.4%，并朝著高效率、輕量化、高度集成化方向發(fā)展。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)作為新能源汽車三大核心系統(tǒng)之一[1-4]，其加速能力、爬坡能力、最高車速的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等是汽車行駛的主要性能指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、連接器、旋轉(zhuǎn)變壓器等零部件裝配而成[5]，而電機(jī)殼體是電機(jī)運(yùn)載載荷、散熱和固定的承載體，支承著電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子工作，在汽車行駛狀態(tài)下，還需要有足夠的強(qiáng)度承受多變的沖擊載荷。傳統(tǒng)電機(jī)殼體大多為鋼鑄造件或機(jī)械加工制造件，其工藝復(fù)雜、重量大、成本高，不符合新能源汽車輕量化發(fā)展要求。

電機(jī)殼體的輕量化能夠保障汽車行駛的穩(wěn)定及能耗的減少，因此，在確保強(qiáng)度足夠的前提下，如何進(jìn)一步減輕電機(jī)殼重量已成為新能源汽車電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。鋁合金作為輕量化材料，不僅具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，其良好的成型性和耐腐蝕性是電機(jī)殼體理想的鑄造材料。在應(yīng)用鋁合金鑄造電機(jī)殼體生產(chǎn)加工中，解決了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承受熱導(dǎo)致電機(jī)殼體軸承位變形的問題，一般采用在電機(jī)殼軸承位鑲裝鋼套，以增加其軸承位的硬度。課題組將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，針對(duì)一種新能源汽車電機(jī)端殼體軸承位鑲裝鋼套進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化[6-7]。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鋼套在模具上定位的設(shè)計(jì)，不僅提高了生產(chǎn)效率，還提高了產(chǎn)品的合格率。

1 電機(jī)殼體鋼套初始設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)應(yīng)用的電機(jī)殼體如圖1所示，通過模具應(yīng)用鋁合金材料壓鑄而成，箭頭所在位置為電機(jī)軸承位。在試驗(yàn)測(cè)試中，該電機(jī)殼體充分發(fā)揮了鋁合金材質(zhì)重量輕、散熱性好、導(dǎo)熱性好、可鑄性好、噪聲低、運(yùn)作穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)由于鋁合金材質(zhì)硬度低，在與電機(jī)對(duì)接的軸承位，在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸作用下，容易受熱導(dǎo)致軸承位變形，從而致使電機(jī)殼體針對(duì)承載電機(jī)運(yùn)作的功能失效，導(dǎo)致新能源汽車出現(xiàn)安全隱患。為解決該電機(jī)殼電機(jī)端軸承位硬度不夠的問題，設(shè)計(jì)人員查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，如米義鵬等發(fā)明的軸承鋼套及電機(jī)機(jī)殼[8]、楊安發(fā)明的電機(jī)殼前后端蓋鑲鋼套鑄造方法及前后端蓋[9]、肖博文發(fā)表的論文《電機(jī)端蓋薄壁軸承孔鑲套改造》[10]等，通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究分析，提出本電機(jī)殼電機(jī)端軸承位鑲鋼套的初始設(shè)計(jì)方案。

圖1 電機(jī)殼體

1.1 鋼套設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)軸要求，設(shè)計(jì)出鋼套尺寸圖，如圖2所示。為便于能與鋁合金材質(zhì)壓鑄牢固，鋼套外緣中間設(shè)有凹槽，并將此鋼套安裝到電機(jī)殼原模具的動(dòng)模上。

圖2 鋼套尺寸圖

1.2 鋼套安裝

圖3為本電機(jī)殼體原設(shè)計(jì)壓鑄的動(dòng)模具，設(shè)計(jì)好鋼套后，將鋼套（圖中箭頭所示）通過人力從動(dòng)模具電機(jī)軸承位的模芯柱（圖中箭頭所示）鑲嵌在動(dòng)模具上。圖4為電機(jī)殼定模具，電機(jī)殼動(dòng)模具與電機(jī)殼定模具合模后，通過壓鑄形成鋼套初始設(shè)計(jì)產(chǎn)品毛坯結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖3 電機(jī)殼動(dòng)模具

圖5 鋼套初始設(shè)計(jì)產(chǎn)品毛坯結(jié)構(gòu)

1.3 鋼套初始設(shè)計(jì)產(chǎn)品分析

經(jīng)過對(duì)鋼套初始設(shè)計(jì)產(chǎn)品的分析，發(fā)現(xiàn)壓鑄產(chǎn)品合格率并不高，僅為60%，鋼套出現(xiàn)退位或者偏斜現(xiàn)象，鋼套退位件圖如圖6所示。究其原因，主要是由于鋼套在通過鑲嵌在動(dòng)模具模芯柱時(shí)，鋼套的位置僅通過動(dòng)模具模芯柱的孔徑控制公差起定位作用，這樣壓鑄填充生產(chǎn)過程中鋁水的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)鋼套竄動(dòng)，導(dǎo)致毛坯成型鋼套出現(xiàn)退位或者偏斜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致機(jī)加工后鋼套端面或底部加工不出，產(chǎn)品合格率低。同時(shí)，鋼套通過動(dòng)模模芯柱鑲嵌到動(dòng)模具上時(shí)，利用人工敲打安裝，安裝難點(diǎn)較大，且安裝效率低。

圖6 鋼套退位件圖（不合格件）

2 鋼套定位優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)鋼套初始設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)人員對(duì)電機(jī)殼體模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，重新優(yōu)化了鋼套的定位結(jié)構(gòu)。將電機(jī)殼體動(dòng)模具的電機(jī)軸承位的模芯柱設(shè)計(jì)到電機(jī)殼體定模具相應(yīng)位置，動(dòng)模具上只保留鋼套放置位置的沖頭，優(yōu)化后的動(dòng)模具如圖7所示，高度小于鋼套的高度，這樣既方便鋼套很輕松地放在沖頭上，又能保障定模模芯柱很好地頂住鋼套，以確保鋼套的準(zhǔn)確定位，如圖8所示。在定模模芯對(duì)鋼套的定位設(shè)計(jì)中，是將鋼套內(nèi)徑尺寸由Φ63更改為Φ52，鋼套更改后的尺寸圖如圖9所示，定模具上的模芯柱上外徑按Φ51，下外徑按Φ56制作，從上到下形成1.5°的斜度，這樣通過斜度以便確保合模后定模芯柱可以將鋼套頂?shù)焦潭ㄎ恢?，?yōu)化后產(chǎn)品毛坯結(jié)構(gòu)如圖10所示，解決初始方案設(shè)計(jì)中鋼套退位及位置偏移的問題，同時(shí)模芯柱傾斜角度也有利于定模出模。

圖7 優(yōu)化后的動(dòng)模具

圖8 優(yōu)化后的定模具

圖9 鋼套更改后的尺寸圖

圖10 優(yōu)化后產(chǎn)品毛坯結(jié)構(gòu)

鋼套定位優(yōu)化設(shè)計(jì)后，僅需將鋼套套入沖頭，不需人工將鋼套敲到位，不僅提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，還降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；利用鋼套與定模模芯柱的配合卡位，很好地解決了鋁水壓鑄過程中鋼套定位問題，避免其退位偏移現(xiàn)象的出現(xiàn)；產(chǎn)品的合格率由原來的60%提高到了99.5%，單件產(chǎn)品的成本降低了39.7%。

3 結(jié)語(yǔ)

課題組充分研究分析了驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)新能源汽車發(fā)展的重要性，為適應(yīng)電機(jī)殼體輕量化發(fā)展需要，采用鋁合金作為本研究電機(jī)殼體生產(chǎn)加工材料，在充分發(fā)揮鋁合金電機(jī)殼體重量輕、散熱性好、導(dǎo)熱性好、可鑄性好、噪聲低、運(yùn)作穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，為解決電機(jī)殼體軸承位鋁合金硬度不夠問題，在電機(jī)殼體軸承位鑲嵌鋼套，并介紹了其初始設(shè)計(jì)方案，且對(duì)鑲嵌鋼套在壓鑄模中的定位問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌鋼套電機(jī)殼體產(chǎn)品合格率由原來的60%提高到99.5%，單件產(chǎn)品的成本也降低了39.7%，為新能源汽車電機(jī)端殼體內(nèi)嵌鋼套在壓鑄模中定位提供了解決方案。