Electric Drive Units (EDUs) sind das Herzstück moderner Elektrofahrzeuge und vereinen den Elektromotor und das Getriebe in einem einzigen, kompakten System. Diese Einheiten sind entscheidend für die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit, die von Elektroautos erwartet werden.
Eine zentrale Herausforderung bei der Konstruktion von EDUs ist die Gewährleistung einer wirksamen Schmierung. Eine ordnungsgemäße Schmierung minimiert die Reibung, verringert den Verschleiß der Komponenten und trägt zur Wärmeableitung bei, was alles für die Langlebigkeit und Effizienz des Systems entscheidend ist. Da EDUs mit hohen Geschwindigkeiten und unter wechselnden Lasten betrieben werden, ist die Optimierung der Schmierung von entscheidender Bedeutung, um Spitzenleistungen zu erzielen und gleichzeitig strenge Anforderungen an die Haltbarkeit zu erfüllen.
In diesem Simulationsfall wird das Verhalten der Schmierung innerhalb einer EDU untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Verteilung des Öls und der Wechselwirkung mit kritischen Komponenten liegt.
Ziel von Teil I: Simulation des Schmiermittelflusses im Rotor
In dieser ersten Phase der Simulationsstudie der Electric Drive Unit (EDU) konzentrieren wir uns ausschließlich auf den Rotor und isolieren ihn vom Rest des Systems. Das Hauptziel besteht darin, die Verteilung des Schmierstoffs in den verschiedenen Kanälen des Rotors abzuschätzen.
Der Schmierstoff tritt durch die zentrale Welle des Rotors in das Simulationsgebiet ein und wird von dort aus in acht kleine Kanäle verteilt, die sich an beiden Enden der Welle befinden. Diese Kanäle leiten das Schmiermittel zu bestimmten Bereichen außerhalb des Rotors.
Ziel dieser Simulation ist es, den Prozentsatz des Hauptschmierstoffstroms zu berechnen, der sich aufteilt und in jeden der acht Kanäle eintritt. Das Verständnis dieser Verteilung ist entscheidend für die Optimierung des Kanaldesigns, um eine gleichmäßige Schmierung zu erreichen.
Fallbeschreibung
Der allgemeine Aufbau der Simulation ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Schmierstoff gelangt durch einen Einlass in der zentralen Welle mit einem Volumenstrom von 12 Litern pro Minute in den Bereich. Die Simulation hat eine Basispartikelgröße von 0,06 mm.
Um eine genaue Auflösung der Strömungsdynamik in der Nähe der kleinen Kanäle zu gewährleisten, werden Verfeinerungsregionen um diese Bereiche herum angelegt. Innerhalb dieser Regionen wird die Partikelgröße auf 0,03 mm reduziert, was die Genauigkeit der Simulation bei der Erfassung detaillierter Strömungsmerkmale erhöht.
Jeder der acht Kanäle ist mit Probenahmefenstern ausgestattet, die die Durchflussmenge messen, die durch sie hindurchfließt. Diese Messungen liefern wichtige Daten zur Beurteilung der Verteilung des Schmierstoffflusses in den Kanälen.
Der Rotor startet bei 0 U/min und fährt innerhalb von 0,5 Sekunden auf 2000 U/min hoch.
Ergebnis
Das erste Bild in diesem Abschnitt veranschaulicht die Partikelgrößenverteilung im Rotor. Wie gezeigt, werden die Partikel in den vordefinierten Verfeinerungsregionen auf die Hälfte ihrer Größe reduziert, so dass sie nahtlos in die kleineren Kanäle fließen können. Nachdem sie diese Regionen passiert haben, verschmelzen die Partikel wieder miteinander, wodurch die Gesamtpartikelzahl effektiv reduziert wird. Dieser Ansatz senkt den Rechenaufwand erheblich, während die Simulationsgenauigkeit erhalten bleibt.
Das folgende Video zeigt eine dynamische Visualisierung der Simulationsergebnisse. Es zeigt die Befüllung der Welle und der Seitenkanäle, den Rotorhochlauf und die daraus resultierende Geschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit im System.
Die beiden folgenden Diagramme veranschaulichen die Entwicklung der Durchflussmenge durch die Probenfenster im Laufe der Zeit. Die Namenskonvention, z. B. “Sample 1 / Sample 1-1”, bezieht sich auf gegenüberliegende Kanäle. Die Proben 1 und 2 befinden sich auf der linken Seite, näher am Einlass, während die Proben 3 und 4 den Kanälen auf der rechten Seite, weiter vom Einlass entfernt, entsprechen.
Infolgedessen erkennen die Proben 1 und 2 ankommende Flüssigkeit früher, ein Verhalten, das auch im obigen Video zu sehen ist. Alle acht Kanäle erreichen ihre endgültige Durchflussmenge fast gleichzeitig, etwa in 0,4 Sekunden. Von diesem Zeitpunkt an bleiben die Durchflussraten relativ stabil, was darauf hindeutet, dass die Simulation einen stabilen Zustand erreicht hat und ausreichend lange lief.
Die gestrichelten Linien in den Diagrammen stellen die durchschnittlichen Durchflussraten für jede Probe während der letzten 0,25 Sekunden der Simulation dar (von 1,0 bis 1,25 Sekunden):
- Probe 1: 1,15 l/min
- Probe 2: 1,80 l/min
- Probe 3: 1,25 l/min
- Probe 4: 1,80 l/min
Diese Ergebnisse werden als Eingabedaten für Teil II der EDU-Simulation verwendet, bei der die gesamte EDU simuliert wird:
