新能源汽车动力电机花键轴设计探讨

覃云萍

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510640）

0 前言

永磁同步电机与差减通过花键轴连接，传递力矩为整车提供动力。因此花键轴的可靠性、耐久性成为动力电机的关键。文中就动力电机花键轴的设计进行探讨。

1 花键轴设计

1.1 花键轴材料选择

依据《机械设计手册》［1］，推荐轴的材质选择有 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。一般电机厂常用的材质为20Cr、40Cr、20CrMnTi等。某新能源汽车动力电机花键轴材质为20CrMnTi。20CrMnTi的材料力学性能如表1所示。

表1 20CrMnTi的材料力学性能

1.2 花键轴参数确定

由标准GB/T 3478.1，通过渐开线花键计算出该新能源汽车动力电机花键参数如表2所示。

表2 花键参数

1.3 花键轴热处理工艺

按照《机械设计手册》要求先表面渗碳 （要求渗碳层厚度0.6～0.8 mm），高频淬火，最后回火调质。某生产厂家的花键轴热处理工艺顺序为装夹、清洗烘干、渗碳处理、淬火、沥油、清洗、首检硬度、回火、金相检验，最后检测硬度［2］。

2 花键轴的受力仿真

2.1 花键轴的有限元模型建立

通过ANSYS软件，建立某新能源汽车动力电机花键轴的有限元模型［3］，如图1所示。

2.2 花键轴的受力分析

该新能源汽车动力电机花键轴的传递力扭为250 N·m，受力为磁拉力沿径向方向［4］、动力电机转子自重、10g加速度振动载荷，因此受力的总大小为2 000 N，约束前后轴承位［5］。电机花键轴的载荷加载图如图2所示。

2.3 花键轴等效应力云图

该花键轴材料为20CrMnTi，该材料失效屈服极限为500 MPa。通过仿真可知，该花键轴的等效应力的最大值出现在轴承室退刀槽处，为89.6 MPa，取1.2倍安全余量［6］，该花键轴满足使用要求。电机花键轴的等效应力图如图3所示。

2.4 花键轴变形云图

该花键轴变形最大处在花键轴芯部，最大变形量为0.013 5 mm，变形量很小，满足使用要求。电机花键轴变形云图如图4所示。

3 动力电机花键轴使用中出现的问题

3.1 问题现象

某新能源车辆通过耐久试验后，拆开看到花键出现严重的锈蚀现象。电机花键生锈图片如图5所示。

3.2 原因分析及对策

经分析电机花键与差减花键配合后没有密封，两者连接处在工作状态下会产生较大的热量，产生水汽，导致锈蚀。

为解决花键配合后的锈蚀问题，电机花键端与差减花键配合后增加O型圈进行密封，O型圈材质为氟橡胶［7］。

3.3 效果确认

某该新能源汽车采用此密封方式后，进行同样条件的耐久试验，拆开发现花键锈蚀明显减少，但还存在少量的锈蚀现象，需继续改善密封效果。试验后的电机花键如图6所示。

4 总结

对新能源动力电机花键轴设计、仿真进行探讨，并对花键轴使用过程中出现的问题进行分析，提出改善方案，为后面新能源动力电机花键轴的设计提供了参考。

【1】成大先.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.

【2】周继春.齿轮轴热处理工艺分析与研究［J］.装备制造技术，2007（9）:24－26.

【3】Moaveni Saeed.有限元分析——ANSYS理论与应用［M］.北京:电子工业出版社，2005.

【4】陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，2007.

【5】李俊峰.理论力学［M］.北京:清华大学出版社，2010.

【6】刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，1991.

【7】常德功，付平.密封设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2009.