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摘 要：本文以一款城市客车混合动力总成的设计及仿真分析为研究对象，通过整车对混动总成的要求，分别对总成的热管理系统、结构强度进行仿真分析，以指导该总成系统的后期设计及优化工作。
关键词：混合动力 热管理 冷却 仿真分析 总成设计 行星排总成
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
为响应国家“蓝天保卫战”对公共交通节能减排的要求，新能源混合动力系统作为最早进入市场应用的新能源驱动系统，已经有着广泛的市场应用案例，但随着政策对城市客车混动系统的节油率要求年年提升，市场上就需要匹配开发一款具备高节油率、高可靠性和高性价比的混动总成系统。
2 总成设计
混动总成由发电机、行星排变速箱、驱动电机三个部分集成装配，混动总成系统在整车底盘需要与发动机飞轮壳、离合器组件、车架悬置支撑、热管理系统、万向传动轴等进行合理的匹配设计，才能使总成系统具备较高的使用可靠性。具体总成模型如图1所示：
3 总成及部件设计仿真分析
3.1 发电机和驱动电机转子轴强度分析
发电机和驱动电机主要用于整车的发电和整车的行驶驱动使用，通过ANSYS软件可以对电机轴在峰值扭矩情况下进行前期设计仿真分析，用于评估电机轴的传动风险点，以指导设计人员进行合理的优化。
3.1.1 发电机转子軸
转子轴在峰值扭矩350Nm工况下，产生的最大应力为 49MPa，最大应力点位于输出端花键根部，转子轴材料为 20CrMnTi，屈服强度为 850MPa，安全系数n=17，如图2所示，可以满足设计要求。
3.1.2 驱动电机转子轴
转子轴在峰值扭矩1300Nm工况下，产生的最大应力为169MPa，最大应力点位于输出端花键根部，转子轴材料为20CrMnTi，屈服强度为850MPa，安全系数n=5，如图3所示，可以满足设计要求。
3.2 电机壳体冷却水道流阻仿真分析
发电机壳体冷却水道流阻是总成冷却系统中的一部分，在壳体冷却水道设计过程中，需要考虑整个冷却水道没有明显的死水区域，冷却液能均匀的对电机定子进行散热，同时需要考虑电机壳体的铸造及加工工艺等。以下通过ANSYS软件对发电机和驱动电机壳体冷却水道分别进行12L/min和16L/min的流量仿真分析，冷却液入口温度设定为65℃，分析结果如下陈述。
3.2.1 发电机壳体冷却水道流阻仿真分析
其中冷却液流量12L/min时对应压差损失ΔP=1.16kPa（如图4所示），冷却液流量16L/min时对应压差损失ΔP=2.06kPa（如图4所示）。
3.2.2 驱动电机壳体冷却水道流阻仿真分析
其中冷却液流量12L/min时对应压差损失ΔP=2.78kPa（如图5所示），冷却液流量16L/min时对应压差损失ΔP=4.98kPa（如图5所示）。
3.3 电机温额定升仿真设计
电机的温升是限定电机性能的主要指标之一，电机损耗主要有绕组损耗、定子铁耗、转子铁耗、机械损耗，通过ANSYS软件对电机总成进行温升仿真分析，可以指导电机的电磁及冷却系统设计，评估温升设计风险，节省成本。
3.3.1 发电机额定温升仿真设计
通过ANSYS软件设定电机冷却液流量16L/min，冷却液入口温度65℃，电机初始温升65℃，在额定工况60kW/2500rpm/230Nm下运行至稳定状态，温升最高点在绕组端部，最高温度124℃，定子铁芯最高温度106℃，如图6所示。
3.3.2 驱动电机额定温升仿真设计
通过ANSYS软件设定电机冷却液流量12L/min，冷却液入口温度65℃，电机初始温升65℃，在额定工况100kW/1600rpm/600Nm下运行至稳定状态，温升最高点在绕组端部，最高温度148.3℃，定子铁芯最高温度131.5℃，如图7所示。
3.4 混动总成随机振动有限元仿真分析
混动总成发电机前端与发动机飞轮壳机械连接，在驱动电机壳体两侧悬置支撑与整车车架连接，根据GB/T28046.3-2011振动标准，对行星排系统进行随机振动强度校核，简化后整个系统的质量约为315kg。
3.4.1 发电机前端盖仿真结果
发电机前端盖最大应力约为195MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=0.95，安全系数偏低，后期设计时需要对最大应力位置进行结构强度优化（图8）。
3.4.2 发电机后端盖仿真结果
发电机后端盖最大应力约为56MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=3.3，满足设计要求（图9）。
3.4.3 驱动电机后端盖仿真结果
驱动电机后端盖最大应力约为116MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=1.6，满足设计要求（图10）。
3.4.4 驱动电机机壳仿真结果
驱动电机机壳最大应力约为91MPa，发生在Y轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=2，满足设计要求（图11）。
4 总结
本文通过对一款城市客车混动系统总成进行设计仿真分析，主要包括总成热仿真分析、电机转子轴强度分析及总成受发动机振动及整车车架振动的强度分析。通过前期的设计仿真分析结果，需要对发电机前端盖壳体较大应力点进行强度优化，同时为其他类似的混合动力总成产品设计提供数据参考。
参考文献：
[1]电动客车用电机壳体设[J].童莉莉，余剑，朱克非.时代汽车，2018（07）：98-100.
[2]新能源汽车动力电机花键轴设计探讨[J].覃云萍.汽车零部件，2014（07）：54-56.
[3]混动重卡电机系统的设计与仿真分析[J].徐天稷，丁永根，王春雷.时代汽车，2020（06）：107.108.111.
关键词：混合动力 热管理 冷却 仿真分析 总成设计 行星排总成
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
为响应国家“蓝天保卫战”对公共交通节能减排的要求，新能源混合动力系统作为最早进入市场应用的新能源驱动系统，已经有着广泛的市场应用案例，但随着政策对城市客车混动系统的节油率要求年年提升，市场上就需要匹配开发一款具备高节油率、高可靠性和高性价比的混动总成系统。
2 总成设计
混动总成由发电机、行星排变速箱、驱动电机三个部分集成装配，混动总成系统在整车底盘需要与发动机飞轮壳、离合器组件、车架悬置支撑、热管理系统、万向传动轴等进行合理的匹配设计，才能使总成系统具备较高的使用可靠性。具体总成模型如图1所示：
3 总成及部件设计仿真分析
3.1 发电机和驱动电机转子轴强度分析
发电机和驱动电机主要用于整车的发电和整车的行驶驱动使用，通过ANSYS软件可以对电机轴在峰值扭矩情况下进行前期设计仿真分析，用于评估电机轴的传动风险点，以指导设计人员进行合理的优化。
3.1.1 发电机转子軸
转子轴在峰值扭矩350Nm工况下，产生的最大应力为 49MPa，最大应力点位于输出端花键根部，转子轴材料为 20CrMnTi，屈服强度为 850MPa，安全系数n=17，如图2所示，可以满足设计要求。
3.1.2 驱动电机转子轴
转子轴在峰值扭矩1300Nm工况下，产生的最大应力为169MPa，最大应力点位于输出端花键根部，转子轴材料为20CrMnTi，屈服强度为850MPa，安全系数n=5，如图3所示，可以满足设计要求。
3.2 电机壳体冷却水道流阻仿真分析
发电机壳体冷却水道流阻是总成冷却系统中的一部分，在壳体冷却水道设计过程中，需要考虑整个冷却水道没有明显的死水区域，冷却液能均匀的对电机定子进行散热，同时需要考虑电机壳体的铸造及加工工艺等。以下通过ANSYS软件对发电机和驱动电机壳体冷却水道分别进行12L/min和16L/min的流量仿真分析，冷却液入口温度设定为65℃，分析结果如下陈述。
3.2.1 发电机壳体冷却水道流阻仿真分析
其中冷却液流量12L/min时对应压差损失ΔP=1.16kPa（如图4所示），冷却液流量16L/min时对应压差损失ΔP=2.06kPa（如图4所示）。
3.2.2 驱动电机壳体冷却水道流阻仿真分析
其中冷却液流量12L/min时对应压差损失ΔP=2.78kPa（如图5所示），冷却液流量16L/min时对应压差损失ΔP=4.98kPa（如图5所示）。
3.3 电机温额定升仿真设计
电机的温升是限定电机性能的主要指标之一，电机损耗主要有绕组损耗、定子铁耗、转子铁耗、机械损耗，通过ANSYS软件对电机总成进行温升仿真分析，可以指导电机的电磁及冷却系统设计，评估温升设计风险，节省成本。
3.3.1 发电机额定温升仿真设计
通过ANSYS软件设定电机冷却液流量16L/min，冷却液入口温度65℃，电机初始温升65℃，在额定工况60kW/2500rpm/230Nm下运行至稳定状态，温升最高点在绕组端部，最高温度124℃，定子铁芯最高温度106℃，如图6所示。
3.3.2 驱动电机额定温升仿真设计
通过ANSYS软件设定电机冷却液流量12L/min，冷却液入口温度65℃，电机初始温升65℃，在额定工况100kW/1600rpm/600Nm下运行至稳定状态，温升最高点在绕组端部，最高温度148.3℃，定子铁芯最高温度131.5℃，如图7所示。
3.4 混动总成随机振动有限元仿真分析
混动总成发电机前端与发动机飞轮壳机械连接，在驱动电机壳体两侧悬置支撑与整车车架连接，根据GB/T28046.3-2011振动标准，对行星排系统进行随机振动强度校核，简化后整个系统的质量约为315kg。
3.4.1 发电机前端盖仿真结果
发电机前端盖最大应力约为195MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=0.95，安全系数偏低，后期设计时需要对最大应力位置进行结构强度优化（图8）。
3.4.2 发电机后端盖仿真结果
发电机后端盖最大应力约为56MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=3.3，满足设计要求（图9）。
3.4.3 驱动电机后端盖仿真结果
驱动电机后端盖最大应力约为116MPa，发生在X轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=1.6，满足设计要求（图10）。
3.4.4 驱动电机机壳仿真结果
驱动电机机壳最大应力约为91MPa，发生在Y轴振动方向，材料为A356.0，屈服强度为185MPa，安全系数n=2，满足设计要求（图11）。
4 总结
本文通过对一款城市客车混动系统总成进行设计仿真分析，主要包括总成热仿真分析、电机转子轴强度分析及总成受发动机振动及整车车架振动的强度分析。通过前期的设计仿真分析结果，需要对发电机前端盖壳体较大应力点进行强度优化，同时为其他类似的混合动力总成产品设计提供数据参考。
参考文献：
[1]电动客车用电机壳体设[J].童莉莉，余剑，朱克非.时代汽车，2018（07）：98-100.
[2]新能源汽车动力电机花键轴设计探讨[J].覃云萍.汽车零部件，2014（07）：54-56.
[3]混动重卡电机系统的设计与仿真分析[J].徐天稷，丁永根，王春雷.时代汽车，2020（06）：107.108.111.