某純電商用車驅(qū)動系統(tǒng)殼體設(shè)計與分析

許坤

特百佳動力科技有限公司 上海 201505

國內(nèi)某新能源驅(qū)動系統(tǒng)是由變速器與水冷電動機組成。變速器殼體材料為HT250，易形成鑄造缺陷，且精加工過程中，由于HT250的本身特性需要龍門加工中心與臥式夾床配合加工，加工難度大，所以精度難以保證。具體表現(xiàn)在HT250的合箱面平面度、定位銷孔位置度和軸承孔同軸度難以保證；水冷電動機殼體雖采用鑄鋁（6061），但由于是水冷電動機，需要在電動機定子外圍有殼體包裹，中間層為循環(huán)式冷卻水道，最外圍再采用摩擦焊接一層鑄鋁殼體。結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，加工難度大，成本高。結(jié)構(gòu)上，此類型新能源驅(qū)動系統(tǒng)，需要考慮變速器與水冷電動機集成面之間的密封。使用上，由于變速器與水冷電動機采用獨立的冷卻系統(tǒng)，冷卻效果不一致容易造成溫差，從而導(dǎo)致冷凝水進入變速器內(nèi)部或電動機內(nèi)部，造成銹蝕和短路等失效。

我國乘用車領(lǐng)域，尤其是新能源乘用車領(lǐng)域，新能源驅(qū)動系統(tǒng)的殼體已經(jīng)采用6061作為主要材料。隨著新能源商用車的不斷發(fā)展，整車對各個部件尤其是驅(qū)動系統(tǒng)的集成度、輕量化及性能要求越來越高。而在商用車領(lǐng)域中，隨著終端客戶對商用車的要求尤其是空間占用上越來越高，因此將水冷電動機替換為油冷電動機，同時變速器殼體材料替換為6061已是滿足整車要求的有效方法。

殼體整體方案設(shè)計

油冷電動機殼體與變速器殼體功能一致，皆是完成驅(qū)動系統(tǒng)的各個部件的支撐與包絡(luò)。驅(qū)動系統(tǒng)殼體在設(shè)計過程中，將根據(jù)變速器及油冷電動機對應(yīng)軸需要的支撐軸承的數(shù)量與位置進行分模面選定。本系統(tǒng)無副箱，為雙中間軸結(jié)構(gòu)，僅油冷電動機軸和變速器軸需要支撐。因此僅需要油冷電動機殼體以及變速器殼體作為主要殼體，再輔以相關(guān)密封蓋板即可完成殼體整體方案構(gòu)建。圖1所示為殼體整體方案：油冷電動機殼體內(nèi)腔與變速器殼體內(nèi)腔直接相連，無需考慮二者之間的支撐與高速油封密封。

圖1 殼體整體方案示意

殼體冷卻油路設(shè)計

變速器殼體在與油冷電動機殼體集成后，此驅(qū)動系統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)將完整集成在殼體總成中。

傳統(tǒng)變速器采用SAE 85W/90（GB 13895-1992）作飛濺直接潤滑冷卻，為被動冷卻；電動機則采用50%乙二醇作為冷卻介質(zhì)，為主動冷卻。使用過程中，新能源商用車的工況復(fù)雜多變，如礦山、港口及高原等，此類型工況對于新能源驅(qū)動系統(tǒng)要求散熱能力更強，效率更高，因而，此驅(qū)動系統(tǒng)需要選擇黏度低、抗氧化安定性好、極壓抗磨性好的油品。選擇油品具體參數(shù)見表1。驅(qū)動系統(tǒng)采用的冷卻方案為主動油冷與被動油冷結(jié)合的方式，如圖2所示。

表1 驅(qū)動系統(tǒng)油品參數(shù)

圖2 殼體冷卻油路方案

（1）主動油冷 在車輛處于低速大扭矩、爬坡及高速轉(zhuǎn)動的工況下，驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)熱量較高，因此需要借助主動油冷。結(jié)構(gòu)上，機油濾清器的進油口布置于變速器殼體的最下方，冷卻油由此進入濾清器進行過濾，完成后冷卻油一分為二，分別進入機械油泵與電子油泵。電子油泵冷卻油進入熱交換器，熱交換器中的介質(zhì)為冷卻油與50%乙二醇。冷卻后，油進入到油冷電動機殼體中，根據(jù)殼體油路分別噴淋到電動機的前后漆包線組上，后由高低位落差完成冷卻油路循環(huán)。

（2）被動油冷 結(jié)構(gòu)上，機械油泵通過花鍵取力，安裝在輔助殼體上。驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生運動時，即可從濾清器中抽取冷卻油，從而進入到熱交換器內(nèi)完成冷卻油路循環(huán)。

油冷電動機殼體冷卻油路設(shè)計如圖3所示。

圖3 油冷電動機殼體油冷走向示意

油冷電動機殼體設(shè)置有與電動機定子外徑保證裝配關(guān)系的止口，并在止口上端即冷卻油進油端開有弧形走油槽。在冷卻油進入殼體后，由于受到定子的阻滯，故可分為兩路射向漆包線，再由電動機殼體低處流向變速器殼體中（兩殼體存在高度差）。

殼體材料與強度分析

變速器殼體與油冷電動機殼體都采用6061鋁材，并采用T6的時效處理方式。殼體均勻壁厚為6mm，軸承安裝座厚度單側(cè)10mm以保證強度。具體胚料熱處理方式：快速退火（加熱溫度350～410℃，保溫120min，自然冷卻）→高溫退火（加熱溫度至500℃，保溫60min，自然冷卻）→低溫退火（加熱溫度150～250℃，保溫24h，自然冷卻）。靜置至少48h釋放應(yīng)力[1]?；赟W對變速器殼體、油冷電動機殼體、輔助殼體進行靜力學(xué)分析，以油冷電動機殼體舉例并作為分析對象。該殼體主要受力處為軸承座處和應(yīng)力集中處。軸承座受到軸向力和徑向力，可將其分解為對軸承座的X向、Y向和Z向的壓力。應(yīng)力集中處，主要是殼體形狀急劇變化的地方，如臺階、孔洞等。受力數(shù)據(jù)主要來源于傳動系統(tǒng)分析軟件RomaxDesigner，軸承受力參數(shù)見表2。

表2 電動機軸承受力參數(shù) （單位：N）

對電動機殼體的分模法蘭面和懸置安裝面進行固定，對軸承孔位的軸承擋肩和軸承座腔進行施加靜壓力，所得電動機殼體產(chǎn)生的最大應(yīng)力集中在軸承座加強筋處，為14.6MPa（見圖4），遠小于6061-T6的抗拉強度124MPa和屈服強度55.2MPa。位移量最大為0.02mm（見圖5），符合設(shè)計要求。

圖4 電動機殼體靜力分析

圖5 電動機殼體位移

工程驗證

1.冷卻效果驗證

基于GB/T 18488.2[2]，通過對拖臺架對整體驅(qū)動系統(tǒng)進行溫升試驗，預(yù)熱交換的冷卻介質(zhì)為50%乙二醇，進口溫度為25℃，出口溫度為65℃。溫升試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 驅(qū)動系統(tǒng)溫升曲線

由圖6可知，測試了四個常用轉(zhuǎn)速工況點，最高定子溫度保持在85℃左右趨于平穩(wěn)，殼體表面溫度90℃趨于平穩(wěn)，由此可見，殼體冷卻油路方案合理可用。

結(jié)語

通過對殼體模塊進行三維模型構(gòu)建，并對整體結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)細節(jié)進行分析，真實地還原實際部件的結(jié)構(gòu)信息，同時通過試驗對殼體設(shè)計方案進行驗證，結(jié)論如下。

1）電動機冷卻方式主動油冷與被動油冷相結(jié)合，對電動機殼體設(shè)計了合理的冷卻油道，與熱交換器、變速器殼體等完成冷卻循環(huán)，溫度可控并在合理范圍內(nèi)。

2）電動機殼體、變速器殼體一體化，并采用6061-T6的鋁材，整體殼體方案強度高、集成度高，符合當下新能源驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計理念。