集成電驅(qū)系統(tǒng)輕量化結(jié)構(gòu)和工藝淺析

張峻崢 劉偉 盧俊康

摘 要：集成電驅(qū)系統(tǒng)占據(jù)純電動汽車三電系統(tǒng)的重要地位，其占三電部分質(zhì)量約20%～40%，降低電驅(qū)系統(tǒng)的質(zhì)量對提高電動汽車的續(xù)航有著重要作用。本文系統(tǒng)論述目前電驅(qū)系統(tǒng)集成化設(shè)計發(fā)展策略，分系統(tǒng)從電機(jī)、電控、差減等的零部件的材料、結(jié)構(gòu)研究輕量化方案。同時，提出電驅(qū)系統(tǒng)的輕量化結(jié)構(gòu)和工藝應(yīng)用，需要綜合評估性能、成本。

關(guān)鍵詞：集成電驅(qū);集成化;輕量化;結(jié)構(gòu);工藝

中圖分類號：U469.722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

目前，新能源汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的未來和重要方向，也被列為《中國制造2025》規(guī)劃十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一[1]。受電池功率密度和核心零部件成本制造壓力等限制，新能源汽車主機(jī)廠及其相關(guān)上下游供應(yīng)商對關(guān)鍵系統(tǒng)和零部件的輕量化工藝需求越來越迫切。其中，作為新能源純電汽車的三電系統(tǒng)（即電池、電機(jī)、電控，簡稱“三電”）之一的電驅(qū)系統(tǒng)的輕量化制造工藝，正逐漸成為各大汽車公司產(chǎn)品競爭力、成本、銷售及競品策略的關(guān)注焦點(diǎn)[2]。

1 電驅(qū)系統(tǒng)集成化發(fā)展趨勢

電驅(qū)系統(tǒng)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)和控制電池能量轉(zhuǎn)化為汽車行駛的動能。電驅(qū)動的外包絡(luò)往往受整車車型布置和總裝工藝順序限制存在較大差異，但其核心功能部件電控、電機(jī)、差減三個子系統(tǒng)缺一不可[3]。總體來說，電驅(qū)動發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。如圖1所示分體式電驅(qū)系統(tǒng)，是第一代電驅(qū)動系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)之間主要依靠物理集成。其定位采用傳統(tǒng)的定位孔和銷定位保證定位精度，各子系統(tǒng)之間接口以螺栓鎖緊、線束、管路串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。目前，第二代電驅(qū)動系統(tǒng)，在充分考慮整車布置下實(shí)現(xiàn)多部件系統(tǒng)的殼體集成共用和少量物理聯(lián)接。集成途徑主要方向是電機(jī)軸與輸入軸系同或共軸、電機(jī)/電控/差減殼體一體、水道水嘴直插、高壓線直連等。如圖2所示為某油冷集成式電驅(qū)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電機(jī)殼體、差減、控制器殼體一體壓鑄成型。

下一代電驅(qū)動趨勢除了單檔向多擋化外，另一重要方向是將整車的充放電、控制功能需求集成在電驅(qū)系統(tǒng)中。比如，將PDU、DC/DC、OBC、HV-BOX、VCU等控制單元集成在控制器殼體[3]。如圖3所示為五合一電驅(qū)系統(tǒng)3D模型。

2 各系統(tǒng)的輕量化工藝

2.1 驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動電機(jī)，簡稱電機(jī)，其主要零部件有電機(jī)殼體、定子、轉(zhuǎn)子、端蓋等。目前，按照冷卻方式分為風(fēng)冷、水冷和油冷電機(jī)。其中，水冷電機(jī)，因其冷卻效率高，可以實(shí)現(xiàn)電控的IGBT、電容等元器件和電機(jī)定子冷卻系統(tǒng)串聯(lián)，得到純電新能源汽車的普遍應(yīng)用。

水冷電機(jī)殼體，水道布置以直通式和螺旋水道為主。螺旋水道殼體因其水道沿電機(jī)軸向呈螺旋上升狀分布流阻降低，且冷卻效率優(yōu)于擠壓成型的直通式殼體[4]。圖4和圖5分別為低壓/高壓鑄造成型的螺旋電機(jī)殼體和擠壓電機(jī)殼體。采用鑄造方案的殼體，可以直接一體成型部分諸如加強(qiáng)筋、懸置/半軸安裝凸臺、吊孔、旋變端蓋等特征。新能源汽車水冷電機(jī)殼體，一般采用內(nèi)外套結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝采用殼體壓鑄+機(jī)加工+摩擦焊，以保證多層水道螺旋結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度需求。內(nèi)外殼體配合區(qū)一般選過度配合壓入或熱套工藝，隨后采用攪拌摩擦焊合結(jié)合區(qū)，以滿足冷卻液密封和耐壓試漏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。高壓電機(jī)殼體壁厚設(shè)計在3.5 mm左右，而重力和低壓殼體基本厚度設(shè)計在4.5 mm～6.5 mm。例如某150 kW水冷電驅(qū)動，采用高壓鑄造電機(jī)殼體方案后重量僅8.6 kg，相比低壓殼體減重18.5%。

電機(jī)定轉(zhuǎn)子部件，主要由鐵芯、轉(zhuǎn)軸壓裝而成。鐵芯一般采用0.25 mm～0.5 mm系列冷軋或熱軋硅鋼鋼帶多級精沖成片疊壓鉚而成[5]。其選用原則，優(yōu)選低鐵損高磁感薄疊片，不僅可以顯著降低電機(jī)體積和重量，而且節(jié)省輔材，如絕緣材料和銅線等。

轉(zhuǎn)軸采用低碳合金機(jī)構(gòu)鋼20CrMnTi（H）、8620H等鍛造機(jī)加工，表面做強(qiáng)化處理如高頻或滲碳。目前，轉(zhuǎn)子軸由實(shí)心和空心兩種結(jié)構(gòu)。如圖6為空心電機(jī)軸，除了減重，還可以通過在空心部位布置管路實(shí)現(xiàn)電機(jī)多位置的定點(diǎn)或定向冷卻。傳統(tǒng)空心軸，采用機(jī)加工鉆直通孔，因受花鍵大徑及選用軸承內(nèi)徑影響，空心化效果有限，且機(jī)加工成本相對較高。近年來，徑鍛或旋鍛、摩擦對焊電機(jī)軸實(shí)現(xiàn)變壁厚整體空心化，工藝流程大大縮短，鐵芯配合部位最小壁厚可以實(shí)現(xiàn)3.5 mm左右[6]。通過采用上述特殊徑鍛成型工藝，某主機(jī)廠與疊片內(nèi)孔配合的φ48軸徑的電機(jī)軸空心化后重量由3.2 kg減重至1.68 kg，減重效果相當(dāng)顯著。

2.2 電機(jī)控制器

電機(jī)控制器，簡稱電控，其主要有機(jī)械部分的電控殼體、蓋板以及電子電器的IGBT、控制板、驅(qū)動板、銅排、電容、濾波板等電子元器件組成。如圖7所示為某壓鑄電控殼體。目前，主機(jī)廠針對控制器的輕量化工藝實(shí)踐，主要集中在殼體、蓋板以及IGBT冷卻水路的部分。主要輕量化制造工藝如下：殼體采用輕質(zhì)鋁鎂合金如ADC12、AlSi9Cu3等壓鑄成型;蓋板采用鋁板沖壓或輕質(zhì)合金壓鑄成型替代傳統(tǒng)的鋼板沖壓件;冷卻水道采用雙面密布式針式摩擦焊接封裝工藝。

2.3 差減速箱

差減速箱，簡稱差減，其主要是通過不同齒數(shù)軸齒的速比傳遞，最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)扭矩增大輸入至輪端半軸。圖8為某差減總成透視圖。差減殼體一般選用壓鑄工藝可實(shí)現(xiàn)更大空間的柔性化設(shè)計，基本壁厚3 mm～4.5 mm左右。針對CAE仿真和試驗(yàn)的薄弱區(qū)可采用，殼體局部可通過增加筋條或加厚處理，但必須注意筋條的高度和寬度，防止鑄造過程產(chǎn)生氣孔。對于關(guān)鍵受力部位如軸承安裝孔，采用預(yù)埋嵌鑄或機(jī)加后壓入淬火鋼套，以提升產(chǎn)品的耐磨和機(jī)械性能。對于部分需要強(qiáng)制冷卻部件如軸承、花鍵等，可以充分借助產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置油道事項(xiàng)積油冷卻、強(qiáng)制冷卻，避免飛濺潤滑油量不足問題。

電驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速一般都在10 000 rpm以上，甚至達(dá)到16 000 rpm到20 000 rpm，傳動系的軸齒承受扭矩較傳統(tǒng)變速器大。因此，涉及軸齒關(guān)鍵性能參數(shù)的接觸和疲勞安全系數(shù)，相對傳統(tǒng)變速箱軸齒設(shè)計余量需要增大1.2～2倍以上。原材料除選用含有Cr、Ni、Mo微量合金元素淬透性好和超細(xì)晶粒的優(yōu)質(zhì)低碳合金結(jié)構(gòu)鋼如8620H、20MnCr5等。軸齒的鍛坯推薦采用等溫正火工藝，其成品采用低壓真空滲碳技術(shù)提升滲碳淬火表面硬度和深度。

對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在滿足性能和安裝需求的條件下，亦可采用腹板減薄、沖鉆孔減重等。圖9為某一級被動齒輪，腹板采用鍛后直接沖出均布腰性孔，僅腹板位置減重0.67 kg，節(jié)約加工成本約10～15元/件。

除了上述的輕量化制造工藝外，一些特殊的非傳統(tǒng)工藝也不斷出現(xiàn)在軸齒生產(chǎn)制造過程中。如軸齒齒面的以珩代磨;齒形齒面鼓形量非對稱工藝、結(jié)構(gòu)允許的一級被動齒輪組件采用整體精鍛工藝，差速器齒圈和差殼采用激光焊接、鉚接、冷裝配等工藝，取代傳統(tǒng)的螺栓擰緊工藝[7-8]。某輪端輸出扭矩為3 800 N.m差速器總成，采用激光焊接工藝后減重達(dá)到0.8 kg/件，不僅取消齒圈安裝所需的12顆螺栓，而且裝配失效和售后故障率也大幅度降低。

3 結(jié)語

電驅(qū)系統(tǒng)的輕量化應(yīng)該是一個系統(tǒng)性的工程。一方面，必須綜合考慮電驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，合理運(yùn)用其整車下包絡(luò)和運(yùn)動空間，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)和零部件的集成一體化。另一方面，對于單個零部件，從材料、工藝、制造工序等方面，充分考慮其輕量化結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，輕量化不能以簡單的減重為唯一目標(biāo)。輕量化電驅(qū)系統(tǒng)零部件，某些工藝可能會受限于主機(jī)廠體系供應(yīng)商制造能力和工藝的特殊性，單工序成本可能會存在上浮，但不能忽視對于整機(jī)性能和過程的價值貢獻(xiàn)。因此，電驅(qū)系統(tǒng)的輕量化必須做全制造工藝流程的價值鏈分析，綜合評估平衡整機(jī)性能、成本、重量三者之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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