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        混合動(dòng)力自動(dòng)變速器水套仿真分析

        2021-05-26 09:09:04趙偉偉楊瑄張晨光馮浩成丁斌
        汽車實(shí)用技術(shù) 2021年9期

        趙偉偉,楊瑄,張晨光,馮浩成,丁斌

        (陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 智能傳動(dòng)研究所,陜西 西安 710077)

        前言

        P2架構(gòu)的混動(dòng)變速器的電機(jī)在工作的過程中,由于銅損和鐵損會產(chǎn)生大量的熱,而由于結(jié)構(gòu)的特殊性,無法通過內(nèi)部的循環(huán)油進(jìn)行散熱,因此應(yīng)設(shè)計(jì)專用的電機(jī)冷卻系統(tǒng)[1]。某P2架構(gòu)的混動(dòng)變速器采用的是電機(jī)殼體和套在電機(jī)定子外側(cè)的水套組成的封閉腔作為冷卻液循環(huán)通道進(jìn)行冷卻,水套和定子之間采用過盈配合。由于水套在工作的過程中溫度變化較大,且水套也屬于薄壁件,因此分析水套的壓裝應(yīng)力,以及不同溫度下的熱變形以及熱應(yīng)力,具有重要的工程意義。

        1 電機(jī)定子水套基本結(jié)構(gòu)

        電機(jī)冷卻水套主要分為鋼制水套和鋁制水套,鋁制水套導(dǎo)熱性相對較好。因此,某P2架構(gòu)的混動(dòng)變速器采用的是帶加強(qiáng)筋的鋁制水套。

        電機(jī)定子,水套和殼體之間的裝配關(guān)系如圖1所示,電機(jī)定子鐵芯和水套通過過盈配合進(jìn)行裝配,而水套和電機(jī)殼體之間是絕對間隙配合,水套在工作過程中,其工作應(yīng)力主要來自以下幾個(gè)方面:

        (1)電機(jī)定子和水套之間由于過盈配合產(chǎn)生的壓裝預(yù)應(yīng)力[2];

        (2)電機(jī)水套在工作過程中,由于溫度變化帶來的溫度預(yù)應(yīng)力變化。

        基于此,本文主要分析安裝預(yù)應(yīng)力以及工作過程中溫度變化帶來的應(yīng)力變化分析,根據(jù)汽車的工作環(huán)境溫度,初步確定溫度范圍為-40℃-150℃[3]。

        圖1 電機(jī)殼體、水套和電機(jī)定子之間的裝配關(guān)系

        2 定子和水套的安裝分析

        電機(jī)水套和定子之間的安裝主要依靠鍵槽進(jìn)行周向定位,依靠過盈配合進(jìn)行固定安裝,水套的預(yù)緊應(yīng)力和過盈量有直接關(guān)系,某P2架構(gòu)的混動(dòng)變速器,水套和電機(jī)定子的理論過盈量為0.165mm,定子、水套、電機(jī)殼體的材料特性如表1所示。

        定子和水套之間的摩擦系數(shù)取值0.17,環(huán)境溫度20℃。在ABQUS中采用大位移分析,共分為16個(gè)載荷步。圖2是載荷步1,載荷步8以及載荷步16下水套的等效應(yīng)力分布。

        圖2 安裝過程等效應(yīng)力分布

        圖3 安裝過程壓裝力變化

        在載荷步1中,電機(jī)定子和水套初次進(jìn)行接觸,在載荷步8中,從應(yīng)力分布圖可以看出,此時(shí)定子已經(jīng)走到了水套的中部位置,鍵槽處的應(yīng)力逐步增大,但仍然未超出最大屈服應(yīng)力。在載荷步16中,定子已經(jīng)完全壓裝到水套中,從應(yīng)力云圖可以看出,水套的最大應(yīng)力已經(jīng)超出了最大應(yīng)力,但是最大應(yīng)力分布區(qū)域較小,因此,水套發(fā)生應(yīng)力失效的可能性較小。

        圖3是定子壓裝過程壓裝力變化,最大壓裝力達(dá)到了57.5kN,因此,更推薦水套進(jìn)行熱壓裝。

        3 水套工作過程中的應(yīng)力分析

        電機(jī)在工作的過程中,由于鐵損和銅損的存在,會產(chǎn)生大量的熱,這些熱量主要通過循環(huán)冷卻液將熱量帶走。

        因此,電機(jī)在工作的過程中,電機(jī)殼內(nèi)部的環(huán)境溫度是在不斷變化著的,而定子鐵芯、水套以及電機(jī)殼因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不一致,在相同的溫升下的變形也不一致,因此會帶來定子鐵芯和水套之間的預(yù)緊應(yīng)力的變化。

        圖4是-40℃、20℃以及125℃時(shí)的水套內(nèi)部接觸應(yīng)力云圖,分別模擬了極端低溫下、常溫下、高溫下水套的接觸應(yīng)力分布。

        圖4 接觸應(yīng)力分布

        圖5 是-40℃、20℃以及125℃時(shí)的水套內(nèi)部接觸應(yīng)力云圖,分別模擬了極端低溫下、常溫下、高溫下水套的應(yīng)力分布。其應(yīng)力主要集中在鍵槽處。

        圖5 等效應(yīng)力分布

        從圖上可以看出,在極端低溫下,由于熱膨脹系數(shù)不同,水套的冷縮率明顯大于定子鐵芯的冷縮率,導(dǎo)致定子和水套之間地過盈量增大,過盈應(yīng)力變大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍵槽處且超過了極限應(yīng)力,且分布區(qū)域較大,有發(fā)生變形甚至脹斷地風(fēng)險(xiǎn)。

        在高溫下,當(dāng)溫度達(dá)到125℃的時(shí)候,水套的接觸應(yīng)力基本消失,這是因?yàn)檫_(dá)到一定溫度之后,水套和定子之間地過盈量會消失。在這種工況下,定子有從水套里脫出地風(fēng)險(xiǎn)。然后由于有冷卻液的不斷循環(huán),水套的溫度一般處于80-100℃之間,因此不會有脫出地風(fēng)險(xiǎn)。

        4 水套的改進(jìn)以及驗(yàn)證

        在上一小節(jié)的計(jì)算中,水套在極端低溫的狀況下,由于過盈量變大,水套鍵槽處的應(yīng)力超出了極限應(yīng)力,有變形甚至有脹斷地風(fēng)險(xiǎn),這側(cè)面說明了水套和定子之間地過盈量設(shè)計(jì)的偏大,將理論過盈量調(diào)整至0.1mm后,再次進(jìn)行上述分析。

        圖6是-40°C、20°C以及108°C時(shí)的水套內(nèi)部接觸應(yīng)力云圖,分別模擬了調(diào)整間隙之后的極端低溫下、常溫下、高溫下水套的接觸應(yīng)力分布。

        圖6 接觸應(yīng)力分布

        圖7 是-40°C、20°C以及108°C時(shí)的水套內(nèi)部接觸應(yīng)力云圖,分別模擬了調(diào)整后的極端低溫下、常溫下、高溫下水套的等效應(yīng)力分布。

        圖7 等效應(yīng)力分布

        從計(jì)算結(jié)果來看,接觸應(yīng)力消除時(shí)的溫度由125℃降低到了108℃,雖然極限高溫有所降低,但是依然在許可范圍 之內(nèi)。從水套的應(yīng)力云圖可以看出,在極端低溫下,最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在鍵槽處,但是最大應(yīng)力值有所下降,且沒有超過屈服應(yīng)力值,滿足設(shè)計(jì)要求。

        5 結(jié)論

        本文基于某P2架構(gòu)的混合動(dòng)力自動(dòng)變速器,模擬計(jì)算了水套和定子壓裝過程的壓裝力以及水套的應(yīng)力分布,同時(shí)對水套和定子之間的理論過盈量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,常溫下對電機(jī)定子和水套進(jìn)行壓裝產(chǎn)生的應(yīng)力較大,且壓裝力較大,更推薦熱壓裝工藝;水套和定子之間地過盈量較大,優(yōu)化后地過盈量降低了在極端低溫下水套變形或者脹斷地風(fēng)險(xiǎn)。

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