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        多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及CAE仿真分析

        2019-10-31 03:36:06范旭紅杜長虹邱單丹劉太剛肖賀平
        微特電機(jī) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)振動(dòng)分析

        侯 磊,范旭紅,杜長虹,陸 焦,邱單丹,劉太剛,肖賀平

        (重慶長安新能源汽車科技有限公司,重慶 401120)

        0 引 言

        純電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力,用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛,符合道路交通安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。目前,電動(dòng)汽車研究主要集中在電池、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)三大核心部件及電空調(diào)、電制動(dòng)、電轉(zhuǎn)向等輔助系統(tǒng)[1-3]。其中,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)(EM)、減速器(G-BOX)、電機(jī)控制器(IPU)、DC/DC變換器(DCDC)、車載充電機(jī)(OBC)、高壓配電盒(HV-BOX)、整車控制器(VCU)及壓縮機(jī)(ACP)、水泵(PUMP)等外掛件。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各組成元件的集成方式?jīng)Q定其能量密度,能量密度對純電動(dòng)汽車性能影響顯著。因此,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度集成化設(shè)計(jì)顯得尤為重要[4-6]。

        國內(nèi)外主流車企電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有多種集成形式,包括三合一、四合一、六合一、七合一。國內(nèi)上汽、廣汽、比亞迪、吉利、長安等公司有三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由EM,G-BOX,IPU三部分構(gòu)成;北汽、比亞迪等公司有四合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由IPU,DCDC,OBC,HV-BOX四部分構(gòu)成電控、電源總成,G-BOX,EM分散布置;零跑、北汽等公司有六合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX六部分構(gòu)成。國外大眾、特斯拉、奧迪、寶馬等公司有三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由EM,G-BOX,IPU構(gòu)成[7];寶馬公司有六合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由EM,VCU,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX六部分構(gòu)成;雷諾、日產(chǎn)公司有七合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX、ACP七部分構(gòu)成。通過查閱資料及行業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)交流可知,國內(nèi)外電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度會(huì)越來越高,開發(fā)高能量密度電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是大勢所趨[8-9]。在此背景下,重慶長安新能源汽車科技有限公司的一體化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目正式立項(xiàng),旨在打造一款超高能量密度的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),稱為多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

        1 結(jié)構(gòu)及工作原理

        1.1 結(jié)構(gòu)組成

        多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU,ACP,PUMP共9部分組成,如圖1所示。整體采用四段式結(jié)構(gòu),分別為減速器左端蓋、減速器右端蓋、電機(jī)定子殼體、電機(jī)后端蓋,其中減速器右端蓋為電機(jī)和減速器共用端蓋。ACP固定在電機(jī)左端蓋上,PUMP固定在電機(jī)右端蓋上。IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU布置在控制器系統(tǒng)殼體中,DCDC,OBC布置在同一層,稱之為電源層; HV-BOX和IPU,VCU布置在同一層,稱之為電機(jī)控制層,電源層和電機(jī)控制層共同組成控制器系統(tǒng),布置在EM正上方。該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為原有長安量產(chǎn)的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的進(jìn)一步集成產(chǎn)品,提高了能量密度和冷卻效率。

        圖1 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維數(shù)模

        1.2 系統(tǒng)原理

        該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如圖2所示,主要包括高壓電傳輸、低壓電信號傳輸、熱量交換、動(dòng)力傳遞等,其中高壓電包括高壓直流電、高壓交流電、家用220 V交流電;低壓電信號包括12 V直流電信號、CAN信號、高壓互鎖信號、電子鎖位置信號、制動(dòng)踏板位置信號等共62個(gè)電信號。

        圖2 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖

        動(dòng)力電池輸出高壓直流電,經(jīng)過HV-BOX中疊層銅排將高壓直流電分配成4部分,包括控制器系統(tǒng)內(nèi)部IPU中的INV功率模塊、DCDC模塊,外部的ACP,PTC。INV功率模塊將高壓直流電轉(zhuǎn)換成高壓交流電輸送到EM,驅(qū)動(dòng)EM旋轉(zhuǎn);DCDC模塊將高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電輸送給12 V蓄電池,實(shí)現(xiàn)對12 V蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電,12 V蓄電池輸出低壓直流電給IPU中的INV控制模塊和VCU控制模塊[10]。OBC模塊經(jīng)過HV-BOX中疊層銅排與動(dòng)力電池相連,OBC可將輸入的家用220 V交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電,輸入到動(dòng)力電池中,此過程為動(dòng)力電池慢充過程。

        該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻水路、PUMP和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外部的冷卻控制系統(tǒng)可組成封閉的回路。PUMP為回路中冷卻液循環(huán)提供動(dòng)力,冷卻控制系統(tǒng)完成回路中冷卻液的熱交換,對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中EM,IPU,DCDC,OBC進(jìn)行冷卻[11-12]。EM和G-BOX采用機(jī)械連接,通過花鍵軸、花鍵套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。

        2 數(shù)值建模

        2.1 模型建立

        將多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維數(shù)模進(jìn)行簡化處理,導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行預(yù)處理,得到模型如圖3所示,利用此模型進(jìn)行有限元分析。

        圖3 預(yù)處理模型

        2.2 材料屬性

        該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各部件的材料不同??刂破鳉んw、上下蓋板、電機(jī)端蓋、減速器殼體及支架的材料為ADC12,定子鐵心材料為硅鋼,電機(jī)殼體材料為A365.0-T6,軸材料為20CrMnTi,屏蔽板材料為Q195,具體的材料屬性如表1所示。

        表1 材料及物理屬性

        3 CAE仿真分析

        3.1 模態(tài)分析

        在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),低階固有頻率對振動(dòng)影響較大,無需表示出全部階次下的固有頻率,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取前八階模態(tài)進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果表示,一階模態(tài)為108.2 Hz,發(fā)生在控制器系統(tǒng)中屏蔽板(以下簡稱屏蔽板)處,如圖4(a)所示;二階模態(tài)為157.1 Hz,依然發(fā)生在屏蔽板處;控制器系統(tǒng)的整體模態(tài)發(fā)生在第七階,如圖4(b)所示,大小為437.8 Hz;八階模態(tài)為443.9 Hz,發(fā)生在屏蔽板處。

        (a) 一階模態(tài)

        (b) 七階模態(tài)

        3.2 靜力學(xué)分析

        對多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析,根據(jù)整車運(yùn)行工況確定載荷值,將其分解到X,Y,Z三軸上,用g的倍數(shù)表示大小,具體載荷值如表2所示。

        表2 靜力學(xué)分析載荷值

        在此工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析,結(jié)果顯示,屏蔽板處的最大應(yīng)力較大,因此結(jié)果分析時(shí)分別表示多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板兩個(gè)部分(下同),具體結(jié)果如表3所示。

        表3 靜力學(xué)分析結(jié)果

        由表3可知,在沿Z軸-26g載荷下,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板產(chǎn)生的最大應(yīng)力最大,分別為13.704MPa和132.162MPa,如圖5所示,均滿足要求。

        (a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

        (b) 屏蔽板

        3.3 掃頻振動(dòng)分析

        對多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻振動(dòng)分析,輸入頻率、振幅、加速度3個(gè)參數(shù),確定其中任意2個(gè)參數(shù),即可進(jìn)行求解計(jì)算。根據(jù)整車運(yùn)行工況確定Z軸方向的振動(dòng)工況,如表4所示,X軸方向和Y軸方向振動(dòng)工況的加速度應(yīng)該減半。頻率25 Hz以下為低頻段,不選取與之對應(yīng)的加速度[13-17]。

        表4 Z軸方向振動(dòng)工況

        經(jīng)過掃頻振動(dòng)分析計(jì)算后,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力及頻率如表5所示。

        表5 掃頻振動(dòng)分析結(jié)果

        由表5可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大應(yīng)力為23.440 MPa,如圖6(a)所示,滿足要求。屏蔽板的最大應(yīng)力為254.087 MPa,如圖6(b)所示,大于屏蔽板材料Q195的屈服強(qiáng)度195 MPa,不滿足要求。

        (a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

        (b) 屏蔽板

        3.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

        對多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析,輸入頻率和加速度譜密度(ASD)兩項(xiàng),根據(jù)整車運(yùn)行工況選取頻率分別為10Hz,100Hz,300Hz,500Hz,2 000 Hz,與之對應(yīng)的ASD值分別為10 m2·s-4/Hz,10 m2·s-4/Hz,0.51 m2·s-4/Hz,5 m2·s-4/Hz,5 m2·s-4/Hz。仿真分析結(jié)果如表6所示[18-20]。

        表6 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

        由表6可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大3σ應(yīng)力為68.307 MPa,如圖7(a)所示,滿足要求。屏蔽板最大3σ應(yīng)力為268.182 MPa,如圖7(b)所示,大于Q195的屈服強(qiáng)度195 MPa,不滿足要求。

        (a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

        (b) 屏蔽板

        綜上所述,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(除屏蔽板外)靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果均滿足要求。屏蔽板靜力學(xué)分析結(jié)果滿足要求,掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果不滿足要求。因此,需要對屏蔽板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),具體措施如下:

        1) 增加屏蔽板安裝孔個(gè)數(shù);

        2) 將屏蔽板的材料更改為Q235,Q235的屈服強(qiáng)度為235 MPa,抗拉強(qiáng)度為375~500 MPa。

        4 改進(jìn)后CAE仿真分析

        4.1 模態(tài)分析

        根據(jù)仿真分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)選取前十五階模態(tài)進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果表示,一階模態(tài)為58.16 Hz,發(fā)生在屏蔽板處;二階模態(tài)為85.42 Hz,依然發(fā)生在屏蔽板處;控制器系統(tǒng)的整體模態(tài)發(fā)生在第十五階,大小為437.7 Hz,較改進(jìn)前一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低。

        4.2 靜力學(xué)分析

        借用上文中的載荷值作為輸入并對其進(jìn)行簡化,取消表3中序號4、序號5表示的載荷,具體結(jié)果如表7所示。

        表7 改進(jìn)后靜力學(xué)分析結(jié)果

        由表7可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力分別為13.704MPa和170.481MPa,均滿足要求。

        4.3 掃頻振動(dòng)分析

        借用上文的表4作為輸入進(jìn)行仿真分析計(jì)算,具體結(jié)果如表8所示。

        表8 改進(jìn)后掃頻振動(dòng)分析結(jié)果

        由表8可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力分別為23.440MPa和65.752MPa,均滿足要求。

        4.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

        借用上文中的輸入條件進(jìn)行仿真分析計(jì)算,具體結(jié)果如表9所示。

        表9 改進(jìn)后隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

        由表9可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大3σ應(yīng)力分別為68.307MPa和171.309MPa,均滿足要求。

        4.5 耐沖擊分析

        對多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行耐沖擊分析,對其施加半正弦沖擊載荷,載荷值大小分別為沿Z軸方向25g、X軸方向12.5g及Y軸方向12.5g,持續(xù)時(shí)間為6s。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為最大應(yīng)力是否滿足σmax≤σb,仿真分析結(jié)果如表10所示。

        表10 耐沖擊分析結(jié)果

        由表10可知,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大應(yīng)力為21.704 MPa,如圖8(a)所示,滿足要求。屏蔽板最大應(yīng)力為173.414 MPa,如圖8(b)所示,小于Q235的抗拉強(qiáng)度375~500 MPa,滿足要求。

        (a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

        (b) 屏蔽板

        4.6 疲勞分析

        借用上文中掃頻振動(dòng)分析時(shí)X,Y,Z三個(gè)方向的輸入條件,分別歷時(shí)8 h;隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)的輸入條件擴(kuò)展到沿X,Y,Z三個(gè)方向各歷時(shí)22 h,將所有結(jié)果疊加作為疲勞分析的最終結(jié)果。結(jié)果顯示,多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大疲勞損傷值為5.279×10-4,小于標(biāo)準(zhǔn)值1,滿足要求;屏蔽板最大疲勞損傷值為0.255,大于標(biāo)準(zhǔn)值0.2,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對此進(jìn)行評估認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)可忽略[21-22]。

        綜上所述,對改進(jìn)后的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依次進(jìn)行模態(tài)分析、靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、耐沖擊分析和疲勞分析,模態(tài)分析結(jié)果表明,較改進(jìn)前一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低,其余五項(xiàng)分析結(jié)果均滿足要求。

        4.7 討論

        改進(jìn)后多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果顯示,一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低,帶來的影響為屏蔽板同整車其他零部件發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)增大。針對該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)時(shí),在目前開發(fā)研究階段,尚無定量的頻率范圍判定優(yōu)劣。因此,目前不對屏蔽板再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,而采取在屏蔽板安裝孔處增加軟墊的方式減小共振風(fēng)險(xiǎn)。

        5 結(jié) 語

        本文設(shè)計(jì)了一款由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU,ACP,PUMP共9部分組成的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性能的提升和成本的降低。該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及屏蔽板的靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、耐沖擊分析、疲勞分析結(jié)果均滿足要求。

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