油泵电机端盖材质分析

油泵电机端盖材质分析

谭亲目1,2,3,尹波1,2,3

（1.中车株洲电机有限公司，株洲 412001；

2.浙江中车尚驰电气有限公司，株洲412001；

3.湖南省新能源电机工程技术研究中心，株洲412001）

摘要：本文以某油泵电机为研究对象，分析油泵直接悬挂安装在电机前端盖上，在油泵工作、车辆行驶等复杂工况条件下，探讨在不同材质的端盖对电机花键的影响。本文采用有限元法，使用Ansys Workbench软件对电机进行有限元仿真分析。仿真数据表明：1.采用铸铝端盖并不会导致结构失效，但结构形变量较大，导致电机与油泵的同心度变差，可能导致传动噪音和花键异常磨损；2.钢制端盖能提高安装面强度和刚度，能明显降低结构变形量；3.后端盖强度也是花键异常磨损的风险点，须同时加强或者更换钢端盖。

1研究背景

新能源工程机械在全生命周期的经济效益优势明显，永磁同步电动机以永磁体提供励磁，电机结构简单、可靠性强，电机效率和可靠性高被广泛应用到新能源工程机械的电驱系统中。

本文以某油泵电机为研究对象，电机如图1-1所示，该电机为某型工程机械的油泵电机，直接用电机替代柴油机，油泵在电机前端盖上悬挂安装，油泵总重为148kg,电机原型机前端盖材质为铸铝，强度与刚度较低，当整车振动较大时，存在电机前端盖出现许可范围外的形变乃至结构失效的风险；更换钢质端盖可以提高电机前端盖的刚度与强度，但会导致成本增加。因此有必要对采用不同材质的前端盖进行仿真。本文采用有限元分析法使用Ansys Workbench软件对电机进行分析，以论证采用前端盖采用钢质材质的可行性和必要性。

2电机的有限元分析

2.1前端盖的有限元分析

2.1.2 静力学分析

前端盖端面设计止口用于定位油泵，油泵重148kg通过四个螺栓完全悬挂固定安装在前端盖上，电机整机通过悬置安装板悬置安装，因此对前端盖施加的约束如图2-1所示。

2.1.3 不同材质端盖的静力学分析

本文分别对比了钢制端盖与铝制端盖在相同边界条件下的静力学分析，其输入的材料属性如表2-1所示，形变云图和应力云图如图2-2所示。

表2-1 输入材料属性

如图2-2所示挂载油泵后，端盖的静应力分析：铝制端盖受到的最大静应力为5.86MPa,最大总形变为0.0054mm；钢制端盖受到的最大静应力为6.01MPa，最大总形变为0.0020mm。经过对比分析，钢制前端的刚度与强度都优于铝制前端盖，在相同条件的工况下，钢制端盖变形量更小。

2.2 电机整机有限元分析

永磁同步电机主要由前端盖、后端盖、机壳、接线盒、定子和转子等关键零部件组成，为了减少计算量提高有限元仿真精度，因此对电机进行模型简化处理，并在简化掉的结构部件质心处建立等效质量点[3]，简化后的模型如图2-4所示，划分网格后的有限元模型如图2-5所示。

2.2.1 电机随机振动分析

电机应能承受X，Y，Z三个方向规定的定向扫频振动，其PSD曲线如表2-2所示。

表2-2 PSD曲线参数

电机随机振动分析和前端盖随机振动分析如图2-6和2-7所示。

分析图2-6和图2-7可知，铝制端盖电机随机振动发生最大位移的点存在于前端盖油泵安装螺纹孔处，最大位移为0.017mm（Z向）,钢制端盖电机随机振动发生最大位移的点也存在于前端盖油泵安装螺纹孔处，最大位移为0.010mm（Z向）。从仿真数据上看更换前端盖的材料，但是一定程度上也是提升了整机强度。

3 结论

本文首先对不同材质的前端盖加载油泵负载进行静力学分析，从有限元仿真的角度，验证了同等结构、同等工况条件下钢制端盖的位移形变小于铝制端盖。然后对简化后的电机整机进行了随机振动分析。通过分析仿真数据表明：

（1）采用铸铝端盖并不会导致结构失效，但结构形变量较大，导致电机与油泵的同心度变差，可能导致传动噪音和花键异常磨损；

（2）钢制端盖能提高安装面强度和刚度，能明显降低结构变形量；

（3） 后端盖强度也是花键异常磨损的风险点，须同时加强或者更换钢端盖。

参考文献

[1].曾庆平,洪育成,徐皖生. 基于ANSYS Workbench的电机转轴的随机振动分析[J]. 内燃机与配件, 2018, (4): 59-61.

[2].雷平振,王金平,李伟,等. 机车牵引电机振动测试及数据分析[J]. 机械设计与制造工程, 2020, 49(5): 82-86.

[3].丁洪钧. 某转向架牵引电机结构振动疲劳研究[D]. 大连交通大学, 2020.