安全係數怎麼算
作者 | 徐天稷 丁永根 王春雷
1 引言
現階段新能源汽車產業日益發展不斷進步，純電動系統隨著政策的扶持與充電裝置的普及，正處於快速發展階段，但針對卡車市場尤其是重卡平臺，混合動力系統依然存在著純電動系統無法替代的優勢，例如系統動力性強，不受充電裝置限制等，應國內某主機廠需求，開展匹配42噸以上重卡車輛並聯式混動電機系統的定製化設計與研究工作。
2 電機設計
以設計關鍵零部件的可靠性，各零件的製造工藝、加工成本，以及整機裝配工藝、可維護性、配置合理性等為前提，確定設計方案的框架及其各部件的結構尺寸和材料，設計過程結合機械設計學、材料學、金屬加工工藝學、熱力學、流體力學、電磁學等多學科知識。並結合整車配置要求以及技術需求，利用Solidworks、ANSYS等軟體工具進行開發設計與模擬分析。效能需求如表1所示；裝配模型如圖1所示。
3 模擬分析
3.1 熱管理分析
對於整車來而言，水道流阻和散熱能力是考核冷卻系統的重要指標。冷卻系統的設計必須兼顧整車冷卻系統水泵揚程範圍。同時還要充分考慮重卡車輛的實際惡劣情況，如長時間在高速公路執行實際冷卻液流量、溫度達不到設計要求，因此須對冷卻系統進行充分的研究與分析。
圖1 並聯式混動重卡電機裝配模型
透過ANSYS模擬軟體的Fluent模組，進行流阻模擬分析，在設計流速為20L/min情況下，電機水道水流通暢，流速正常，無明顯死區，如圖2所示；壓力分佈均勻合理達到設計預期，壓差損失為ΔP=13。65kPa，如圖3所示。
圖2 流量下冷卻液流速分佈
圖3 流量下冷卻液壓力分佈
同時，透過ANSYS模擬軟體的Maxwell模組，對電機溫度場進行模擬分析，在冷卻液入水溫度為65℃、流量為20L/min的條件下，對電機系統的額定溫升和峰值溫升進行模擬分析。
電機系統於1200Nm、100kW額定工況下持續執行，繞組最高溫度穩定在121℃，如圖5所示。於1800Nm、150kW峰值狀態下持續執行60s時，繞組最高溫度達到134℃，如圖6所示。
圖5 額定工況溫升
圖6 峰值工況溫升
3.2 振動強度分析
電機透過兩側端蓋及懸置固定板固定，即一側連線變速箱，一側連線發動機，機殼懸置與整車車架相連，根據國內重卡車輛的路譜分析和參考國內外重卡產品的相關試驗標準，設計專用的PSD譜對電機系統進行隨機振動模擬分析。
與變速箱連線的前端蓋最大應力約為153MPa，發生在Y軸振動方向，材料為A356，屈服強度為185MPa，安全係數n=1。2，如圖7所示。
與發動機連線的後端蓋最大應力約為70MPa，發生在Z軸振動方向，材料為A356，屈服強度為185MPa，安全係數n=2。6，如圖8所示。
與整車懸置相連的機殼最大應力約為199MPa，發生在Y軸振動方向，材料為2A12，屈服強度為275MPa，安全係數n=1。4，如圖9所示。
4 轉子結構設計
由於重卡電機需求扭矩大，鐵心長度和重量以及磁場強度遠超一般客車、轎車使用的電機系統，因此在轉子結構設計過程中應充分考慮重力和磁力對軸承、轉軸使用壽命的影響，轉子結構模型，如圖10所示。
軸承作為電機系統的關鍵零部件，使用壽命的校核工作十分重要，電機系統的最高工作轉速為3000rpm。為滿足軸承壽命和轉速的要求，電機系統選用6215深溝球軸承，軸承壽命校核結果，如表2所示。
圖7 前端蓋強度模擬
圖8 後端蓋強度模擬
圖9 機殼強度模擬
圖10 轉子結構模型
表2 軸承壽命計算結果
軸的強度是滿足產品正常執行的關鍵，並聯式混動電機系統，需同時連線作為輸入端的發動機與作為輸出端的變速箱，在模擬分析中，應充分考慮輸入、輸出綜合狀態下的耦合扭矩。
圖11 輸入端軸的強度模擬
圖12 輸出端軸的強度模擬
輸入端電機軸在峰值扭矩1800Nm工況下，產生的最大應力為373MPa，位於輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全係數n=2，如圖11所示。
輸出端電機軸在峰值扭矩2200Nm工況下，產生的最大應力為68MPa，位於輸出端花鍵根部，材料為20CrMnTi，屈服強度為850MPa，安全係數n=12，如圖12所示。
5 總結
1。重卡車輛電機系統設計過程中，應充分考慮實際工況的惡劣性，如著重分析實際路譜的複雜性、冷卻系統的設計餘量以及電機本身的影響因素等；
2。混動重卡電機系統與發動機、變速箱、整車懸置相連，應充分考慮使用過程中耦合性工況，如換擋機構對電機系統的衝擊載荷，耦合扭矩對轉軸強度和疲勞壽命的影響；
3。透過對混動重卡電機系統的設計與模擬分析，為後續其他重卡電機系統的設計與研究工作積累了一定的經驗，具有參考意義。