新能源汽車動(dòng)力電機(jī)花鍵軸設(shè)計(jì)探討

覃云萍

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 前言

永磁同步電機(jī)與差減通過花鍵軸連接，傳遞力矩為整車提供動(dòng)力。因此花鍵軸的可靠性、耐久性成為動(dòng)力電機(jī)的關(guān)鍵。文中就動(dòng)力電機(jī)花鍵軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 花鍵軸設(shè)計(jì)

1.1 花鍵軸材料選擇

依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》［1］，推薦軸的材質(zhì)選擇有 Q235、20、35、 45、 40Cr、 35SiMn（42SiMn）、 40MnB、 40CrNi、35CrMo、 38SiMnMo、 37SiMn-2MoV、 38Cr-MoAIA、 20Cr、20CrMnTi、1Cr13、2Cr13、1Crl8-NigTi、QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT600-3等。一般電機(jī)廠常用的材質(zhì)為20Cr、40Cr、20CrMnTi等。某新能源汽車動(dòng)力電機(jī)花鍵軸材質(zhì)為20CrMnTi。20CrMnTi的材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 20CrMnTi的材料力學(xué)性能

1.2 花鍵軸參數(shù)確定

由標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3478.1，通過漸開線花鍵計(jì)算出該新能源汽車動(dòng)力電機(jī)花鍵參數(shù)如表2所示。

表2 花鍵參數(shù)

1.3 花鍵軸熱處理工藝

按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》要求先表面滲碳 （要求滲碳層厚度0.6～0.8 mm），高頻淬火，最后回火調(diào)質(zhì)。某生產(chǎn)廠家的花鍵軸熱處理工藝順序?yàn)檠b夾、清洗烘干、滲碳處理、淬火、瀝油、清洗、首檢硬度、回火、金相檢驗(yàn)，最后檢測硬度［2］。

2 花鍵軸的受力仿真

2.1 花鍵軸的有限元模型建立

通過ANSYS軟件，建立某新能源汽車動(dòng)力電機(jī)花鍵軸的有限元模型［3］，如圖1所示。

2.2 花鍵軸的受力分析

該新能源汽車動(dòng)力電機(jī)花鍵軸的傳遞力扭為250 N·m，受力為磁拉力沿徑向方向［4］、動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子自重、10g加速度振動(dòng)載荷，因此受力的總大小為2 000 N，約束前后軸承位［5］。電機(jī)花鍵軸的載荷加載圖如圖2所示。

2.3 花鍵軸等效應(yīng)力云圖

該花鍵軸材料為20CrMnTi，該材料失效屈服極限為500 MPa。通過仿真可知，該花鍵軸的等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在軸承室退刀槽處，為89.6 MPa，取1.2倍安全余量［6］，該花鍵軸滿足使用要求。電機(jī)花鍵軸的等效應(yīng)力圖如圖3所示。

2.4 花鍵軸變形云圖

該花鍵軸變形最大處在花鍵軸芯部，最大變形量為0.013 5 mm，變形量很小，滿足使用要求。電機(jī)花鍵軸變形云圖如圖4所示。

3 動(dòng)力電機(jī)花鍵軸使用中出現(xiàn)的問題

3.1 問題現(xiàn)象

某新能源車輛通過耐久試驗(yàn)后，拆開看到花鍵出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象。電機(jī)花鍵生銹圖片如圖5所示。

3.2 原因分析及對策

經(jīng)分析電機(jī)花鍵與差減花鍵配合后沒有密封，兩者連接處在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的熱量，產(chǎn)生水汽，導(dǎo)致銹蝕。

為解決花鍵配合后的銹蝕問題，電機(jī)花鍵端與差減花鍵配合后增加O型圈進(jìn)行密封，O型圈材質(zhì)為氟橡膠［7］。

3.3 效果確認(rèn)

某該新能源汽車采用此密封方式后，進(jìn)行同樣條件的耐久試驗(yàn)，拆開發(fā)現(xiàn)花鍵銹蝕明顯減少，但還存在少量的銹蝕現(xiàn)象，需繼續(xù)改善密封效果。試驗(yàn)后的電機(jī)花鍵如圖6所示。

4 總結(jié)

對新能源動(dòng)力電機(jī)花鍵軸設(shè)計(jì)、仿真進(jìn)行探討，并對花鍵軸使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出改善方案，為后面新能源動(dòng)力電機(jī)花鍵軸的設(shè)計(jì)提供了參考。

【1】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【2】周繼春.齒輪軸熱處理工藝分析與研究［J］.裝備制造技術(shù)，2007（9）:24－26.

【3】Moaveni Saeed.有限元分析——ANSYS理論與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

【4】陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【5】李俊峰.理論力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

【6】劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1991.

【7】常德功，付平.密封設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.