辛雨 趙遷 魏躍遠(yuǎn) 原誠寅
摘 要:兩檔變速器利于降低電動汽車能耗,提升續(xù)駛里程;兩檔變速器箱體設(shè)計中,懸置安裝點設(shè)計優(yōu)化是其重點問題之一?;诖嬖诘淖兯倨鲬抑冒惭b點斷裂問題,分析得到變速器懸置安裝點風(fēng)險工況;根據(jù)動力總成慣量及懸置布置位置和剛度參數(shù),獲得風(fēng)險工況下懸置載荷;對變速器進(jìn)行有限元建模,約束與電機(jī)連接螺栓位置,并在懸置位置施加載荷,計算得到危險工況下變速器應(yīng)力分布;針對應(yīng)力計算結(jié)果,提出傳遞路徑和懸置安裝點區(qū)域局部加筋優(yōu)化方案,并驗證優(yōu)化方案強度提升有效性。優(yōu)化前后的兩檔箱懸置支架剛度計算結(jié)果同樣驗證了優(yōu)化方案對整體結(jié)構(gòu)性能提升的效果。
關(guān)鍵詞:電動汽車;兩檔變速器;懸置安裝點;強度;剛度
1 前言
純電動汽車是新能源汽車發(fā)展的重點方向,其需要解決的問題包括安全性能、續(xù)駛里程、環(huán)境適應(yīng)性能等。動力總成效率是純電動汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素之一[1],采用兩檔變速器進(jìn)行匹配,可以使動力總成運行在高效區(qū)間,從而提高整車經(jīng)濟(jì)性能。相關(guān)研究對比發(fā)現(xiàn):兩檔變速器相比于固定檔變速器整車能耗降低6.6%,續(xù)駛里程延長7.1%[2]?;陔妱悠?yán)m(xù)駛里程提升需求,兩檔變速器方案得到較多研究[3-7],相關(guān)研究主要集中在兩檔變速器速比優(yōu)化和換擋策略優(yōu)化等方向,以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性能。
兩檔變速器在動力性經(jīng)濟(jì)性方面提升了電動汽車性能,但同時也帶來換擋沖擊、變速器噪聲等NVH風(fēng)險[8],以及動力總成整體重量增加、成本增加等輕量化和成本風(fēng)險。純電動汽車動力總成存在能量密度高、扭矩響應(yīng)快等特點,在車輛起步、換擋、倒車等工況下,兩檔變速器存在受機(jī)械沖擊引起的斷裂風(fēng)險。兩檔變速器斷裂風(fēng)險重點在懸置安裝點位置,其原因主要為整車加速、轉(zhuǎn)彎、上下顛簸等工況時存在由于重力引起的機(jī)械沖擊,疊加扭矩引起的懸置支反力等。由于兩檔變速器懸置安裝點位置實際載荷復(fù)雜,在樣件設(shè)計開發(fā)過程中需對其進(jìn)行分析校核及設(shè)計優(yōu)化,防止發(fā)生斷裂而引起的動力總成脫落、動力中斷等安全問題。
基于某款兩檔變速器設(shè)計開發(fā)過程,根據(jù)類似項目斷裂失效問題,識別斷裂風(fēng)險工況;根據(jù)風(fēng)險工況下載荷計算兩檔變速器強度,并驗證其抗斷裂的性能;通過風(fēng)險工況下應(yīng)力分布結(jié)果,確定傳遞路徑及安裝點附近局部加筋優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的實施在整體重量僅增加1%前提下,提升了兩檔變速器風(fēng)險工況強度10.17%,提升剛度性能14.2%,解決了其變形及斷裂風(fēng)險。
2 風(fēng)險工況載荷
某款兩檔變速器設(shè)計開發(fā)中,根據(jù)前期原型樣車中變速器主要失效模式統(tǒng)計,懸置安裝點位置斷裂破壞風(fēng)險是其首要且最嚴(yán)重的設(shè)計風(fēng)險,影響到整車的耐久及安全。根據(jù)懸置安裝點斷裂形式分析,變速器斷裂位置處于螺栓上方,主要受Z向載荷引起。根據(jù)電動車懸置載荷分解工況,與Z向載荷相關(guān)的有Z向上下5g工況,以及Z向上下5g/Y向左右3g工況;該部分工況中,Z向-6g/Y向±3g工況為最危險工況,相比Z向上下5g工況和Z向4g/Y向±3g工況更嚴(yán)苛,作為強度校核危險工況使用,見圖1。
根據(jù)動力總成重量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量,以及懸置設(shè)計位置及設(shè)計剛度,建立動力總成6自由度剛體模型,可計算出給定工況下懸置點載荷方向及大小[9];根據(jù)以上參數(shù)輸入計算得到兩檔變速器殼體相連接的左懸置分解載荷如表1所示,該動力總成整體重量107.90kg,左右懸置靜剛度相同,后懸置采用拉桿懸置。在動力總成6g向下3g向右工況下,連接兩檔箱箱體的左懸置承擔(dān)X向49.291N,Y向-2597.800N,Z向-2360.500N載荷,動力總成6g向下3g向左工況下,左懸置承擔(dān)X向-19.898N,Y向513.110N,Z向-3701.600N載荷,該兩工況載荷將作為設(shè)計優(yōu)化載荷目標(biāo)。
3 兩檔變速器懸置安裝點強度
根據(jù)兩檔變速器數(shù)模及零部件材料參數(shù),建立兩檔變速器有限元模型。約束兩檔變速器箱體與電機(jī)連接螺栓位置,并在懸置支架位置加載懸置分解的載荷,進(jìn)行箱體懸置安裝點強度仿真計算。該有限元模型采用5mm單元尺寸,使用四面體單體建模。螺栓使用rbe2模擬,軸承rbe3-rbe2-rbe3模擬,并釋放繞rbe2方向的旋轉(zhuǎn)自由度。建模完成后單元總數(shù)量529512個,箱體總重18.83kg,與變速器重量18.8kg一致,見圖2。
根據(jù)變速器殼體廠家提供的殼體材料(ADC12),根據(jù)經(jīng)驗定義可承受應(yīng)力為100MPa,為ADC12材料的理論屈服強度170MPa的60%;該材料性能的降低由實際材料生產(chǎn)及零部件制造工藝等引起。變速器殼體懸置支架安裝點位置強度計算結(jié)果如下所示,Z-6gY3g工況最大應(yīng)力86.3MPa,滿足小于100MPa的要求;Z-6gY-3g工況最大應(yīng)力108.1MPa,不滿足小于100MPa的要求,需要優(yōu)化,見表2,見圖3。
4 強度設(shè)計優(yōu)化方案
根據(jù)Z-6gY-3g工況兩檔變速器箱體應(yīng)力分布圖,應(yīng)力集中及超過經(jīng)驗指標(biāo)的位置主要為箱體加強筋。根據(jù)約束—加載位置力傳遞路徑及危險區(qū)域分析,箱體優(yōu)化采用內(nèi)部加筋以強化力傳遞,懸置支架安裝位置局部加筋以優(yōu)化局部力分布的方案進(jìn)行。具體加筋優(yōu)化方案如圖4,優(yōu)化后電機(jī)側(cè)箱體重量從4.825kg增加為4.918kg,增加0.093kg;懸置側(cè)箱體重量從8.461kg增加為8.544kg,增加0.083kg。優(yōu)化方案合計增加重量0.176kg,相比原兩檔變速器18.83kg增重0.93%,重量增加較小,滿足要求。
將箱體替換為優(yōu)化方案箱體,其它不變。變速器殼體懸置支架安裝點位置強度優(yōu)化計算結(jié)果皆滿足100MPa應(yīng)力,滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)要求。危險工況Z-6gY-3g最大應(yīng)力從108.1MPa降低到98.12MPa,降低10.17%;在重量增加不到1%的代價下,強度性能增加10%以上,優(yōu)化方案較好的解決了原箱體懸置安裝點強度風(fēng)險,效果較好,見表3,見圖5。
5 優(yōu)化方案剛度驗證
根據(jù)建立的箱體有限元模型,約束兩檔變速器箱體與電機(jī)連接螺栓位置,在懸置彈性中心位置施加載荷1000N,并根據(jù)位移仿真結(jié)果對剛度進(jìn)行計算。剛度計算結(jié)果可驗證強度優(yōu)化后懸置支架+兩檔變速器箱體的整體抗變形能力,并需滿足前期對標(biāo)得到的剛度預(yù)設(shè)指標(biāo):X7000N/mm,Y3000N/mm,Z6000N/mm。
變速器殼體懸置支架剛度X/Y向剛度皆超出10000N/mm,無風(fēng)險;原方案Z向剛度5840N/mm小于6000N/mm,不滿足原指標(biāo)要求,可能導(dǎo)致極限工況時懸置支架變形過大,引起動力總成振動噪聲隔離差、動力總成異響甚至兩檔變速器和懸置支架破壞問題。進(jìn)行優(yōu)化后,支架三向剛度獲得不同程度的提升,主要風(fēng)險方向Z向提升14.2%,達(dá)到6670N/mm,滿足設(shè)計目標(biāo),見表4。
6 結(jié)論
電動汽車使用兩檔變速器有利于提升續(xù)駛里程,解決能耗問題。兩檔變速器懸置支架安裝點設(shè)計需引起重視,以防止可能出現(xiàn)的斷裂和變形風(fēng)險。某兩檔變速器設(shè)計開發(fā)過程中,根據(jù)前期單檔變速器懸置支架安裝點斷裂風(fēng)險的總結(jié)分析,提出懸置支架安裝點風(fēng)險分析工況,并根據(jù)動力總成及懸置參數(shù),計算出風(fēng)險工況懸置載荷。根據(jù)風(fēng)險工況懸置載荷,進(jìn)行了兩檔變速器強度校核,計算應(yīng)力結(jié)果最高為108.1MPa,不滿足前期經(jīng)驗設(shè)計強度指標(biāo)。采用傳遞路徑和風(fēng)險位置加筋等優(yōu)化處理后,最高應(yīng)力值98.12MPa,應(yīng)力幅值降低10%以上,重量增加則小于1%。兩檔變速器和懸置支架剛度仿真結(jié)果驗證了優(yōu)化方案的有效性,風(fēng)險工況Z向剛度提高14.2%,優(yōu)化后Z向剛度達(dá)到6670N/mm,滿足設(shè)計目標(biāo)。
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