摘 要：本文以一款城市客車混合動力總成的設(shè)計及仿真分析為研究對象，通過整車對混動總成的要求，分別對總成的熱管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行仿真分析，以指導(dǎo)該總成系統(tǒng)的后期設(shè)計及優(yōu)化工作。

關(guān)鍵詞：混合動力 熱管理 冷卻 仿真分析 總成設(shè)計 行星排總成

Design and Simulation Analysis of a City Bus Hybrid Powertrain

Wang Chunlei

Abstract：This paper takes the design and simulation analysis of a city bus hybrid powertrain as the research object. Through the analysis of the requirements of the whole vehicle for the hybrid powertrain， the thermal management system and structural strength of the assembly are simulated and analyzed respectively to guide the later design and optimization of the assembly system.

Key words：hybrid power， thermal management， cooling， simulation analysis， assembly design， planetary row assembly

1 引言

為響應(yīng)國家“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”對公共交通節(jié)能減排的要求，新能源混合動力系統(tǒng)作為最早進(jìn)入市場應(yīng)用的新能源驅(qū)動系統(tǒng)，已經(jīng)有著廣泛的市場應(yīng)用案例，但隨著政策對城市客車混動系統(tǒng)的節(jié)油率要求年年提升，市場上就需要匹配開發(fā)一款具備高節(jié)油率、高可靠性和高性價比的混動總成系統(tǒng)。

2 總成設(shè)計

混動總成由發(fā)電機(jī)、行星排變速箱、驅(qū)動電機(jī)三個部分集成裝配，混動總成系統(tǒng)在整車底盤需要與發(fā)動機(jī)飛輪殼、離合器組件、車架懸置支撐、熱管理系統(tǒng)、萬向傳動軸等進(jìn)行合理的匹配設(shè)計，才能使總成系統(tǒng)具備較高的使用可靠性。具體總成模型如圖1所示：

3 總成及部件設(shè)計仿真分析

3.1 發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子軸強度分析

發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)主要用于整車的發(fā)電和整車的行駛驅(qū)動使用，通過ANSYS軟件可以對電機(jī)軸在峰值扭矩情況下進(jìn)行前期設(shè)計仿真分析，用于評估電機(jī)軸的傳動風(fēng)險點，以指導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行合理的優(yōu)化。

3.1.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸

轉(zhuǎn)子軸在峰值扭矩350Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 49MPa，最大應(yīng)力點位于輸出端花鍵根部，轉(zhuǎn)子軸材料為 20CrMnTi，屈服強度為 850MPa，安全系數(shù)n=17，如圖2所示，可以滿足設(shè)計要求。

3.1.2 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子軸

轉(zhuǎn)子軸在峰值扭矩1300Nm工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為169MPa，最大應(yīng)力點位于輸出端花鍵根部，轉(zhuǎn)子軸材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全系數(shù)n=5，如圖3所示，可以滿足設(shè)計要求。

3.2 電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

發(fā)電機(jī)殼體冷卻水道流阻是總成冷卻系統(tǒng)中的一部分，在殼體冷卻水道設(shè)計過程中，需要考慮整個冷卻水道沒有明顯的死水區(qū)域，冷卻液能均勻的對電機(jī)定子進(jìn)行散熱，同時需要考慮電機(jī)殼體的鑄造及加工工藝等。以下通過ANSYS軟件對發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)殼體冷卻水道分別進(jìn)行12L/min和16L/min的流量仿真分析，冷卻液入口溫度設(shè)定為65℃，分析結(jié)果如下陳述。

3.2.1 發(fā)電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時對應(yīng)壓差損失ΔP=1.16kPa（如圖4所示），冷卻液流量16L/min時對應(yīng)壓差損失ΔP=2.06kPa（如圖4所示）。

3.2.2 驅(qū)動電機(jī)殼體冷卻水道流阻仿真分析

其中冷卻液流量12L/min時對應(yīng)壓差損失ΔP=2.78kPa（如圖5所示），冷卻液流量16L/min時對應(yīng)壓差損失ΔP=4.98kPa（如圖5所示）。

3.3 電機(jī)溫額定升仿真設(shè)計

電機(jī)的溫升是限定電機(jī)性能的主要指標(biāo)之一，電機(jī)損耗主要有繞組損耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、機(jī)械損耗，通過ANSYS軟件對電機(jī)總成進(jìn)行溫升仿真分析，可以指導(dǎo)電機(jī)的電磁及冷卻系統(tǒng)設(shè)計，評估溫升設(shè)計風(fēng)險，節(jié)省成本。

3.3.1 發(fā)電機(jī)額定溫升仿真設(shè)計

通過ANSYS軟件設(shè)定電機(jī)冷卻液流量16L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機(jī)初始溫升65℃，在額定工況60kW/2500rpm/230Nm下運行至穩(wěn)定狀態(tài)，溫升最高點在繞組端部，最高溫度124℃，定子鐵芯最高溫度106℃，如圖6所示。

3.3.2 驅(qū)動電機(jī)額定溫升仿真設(shè)計

通過ANSYS軟件設(shè)定電機(jī)冷卻液流量12L/min，冷卻液入口溫度65℃，電機(jī)初始溫升65℃，在額定工況100kW/1600rpm/600Nm下運行至穩(wěn)定狀態(tài)，溫升最高點在繞組端部，最高溫度148.3℃，定子鐵芯最高溫度131.5℃，如圖7所示。

3.4 混動總成隨機(jī)振動有限元仿真分析

混動總成發(fā)電機(jī)前端與發(fā)動機(jī)飛輪殼機(jī)械連接，在驅(qū)動電機(jī)殼體兩側(cè)懸置支撐與整車車架連接，根據(jù)GB/T28046.3-2011振動標(biāo)準(zhǔn)，對行星排系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動強度校核，簡化后整個系統(tǒng)的質(zhì)量約為315kg。

3.4.1 發(fā)電機(jī)前端蓋仿真結(jié)果

發(fā)電機(jī)前端蓋最大應(yīng)力約為195MPa，發(fā)生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=0.95，安全系數(shù)偏低，后期設(shè)計時需要對最大應(yīng)力位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化（圖8）。

3.4.2 發(fā)電機(jī)后端蓋仿真結(jié)果

發(fā)電機(jī)后端蓋最大應(yīng)力約為56MPa，發(fā)生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=3.3，滿足設(shè)計要求（圖9）。

3.4.3 驅(qū)動電機(jī)后端蓋仿真結(jié)果

驅(qū)動電機(jī)后端蓋最大應(yīng)力約為116MPa，發(fā)生在X軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=1.6，滿足設(shè)計要求（圖10）。

3.4.4 驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼仿真結(jié)果

驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼最大應(yīng)力約為91MPa，發(fā)生在Y軸振動方向，材料為A356.0，屈服強度為185MPa，安全系數(shù)n=2，滿足設(shè)計要求（圖11）。

4 總結(jié)

本文通過對一款城市客車混動系統(tǒng)總成進(jìn)行設(shè)計仿真分析，主要包括總成熱仿真分析、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸強度分析及總成受發(fā)動機(jī)振動及整車車架振動的強度分析。通過前期的設(shè)計仿真分析結(jié)果，需要對發(fā)電機(jī)前端蓋殼體較大應(yīng)力點進(jìn)行強度優(yōu)化，同時為其他類似的混合動力總成產(chǎn)品設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

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