摘要：电助力自行车中置电机内部的高热流密度问题可能导致热敏材料的塑料齿轮受热失效，从而降低产品使用寿命，因此亟需相应的热管理系统保护塑料齿轮，为了完善针对塑料齿轮的热管理系统，首先要对塑料齿轮进行精准的实时温度预测。以某典型工况为例，利用Icepak仿真研究了内部电路板及减速传动系统的温度分布，并与部分器件的实测温度对比验证仿真的有效性；在此基础上进行多次仿真，得到不同工况下的塑料齿轮稳态温度；以传热学理论为基础，结合多次仿真的数据，拟合出适用于塑料齿轮的温度预测表达式。结果表明：仿真结果足够可靠，最大误差为4.38%；得出了实验室条件下塑料齿轮稳态温度关于转速和扭矩的表达式，且在变工况下测试的预测误差在±5℃以内；与传统的集总参数法相比节省大量建模与计算时间，可应用于工程上需要对塑料齿轮进行快速准确温度预测的场景。

　　关键词：电助力自行车；中置电机；塑料齿轮；温度仿真；热管理系统

　　0引言

　　电助力自行车与传统自行车结构相似，但其内部加入了以传感器为核心的动力系统，还配备电机与锂电池，在保留骑行乐趣的同时，比普通自行车省力也更轻便[1]。中置电机位于整车中心的底部，对整车而言有着更好的质量比和爬坡特性[2]，但相比于同功率电机通常其尺寸更小，而业内普遍追求高助力功率，因此带来了严峻的高热流密度问题。相关统计表明，在电子设备失效的案例中有55%是由温度过高引起的[3]。工程上由于塑料齿轮具有优异的性能、更轻的质量和更低的成本[4]而被用于中置电机，电机内部高热流密度问题对热敏材料的塑料齿轮形成极大考验[5]，因此有必要明确塑料齿轮在运行过程的温升情况，工程上常对塑料齿轮进行温度预测[6-7]。

　　针对塑料齿轮的温度预测，前人已开展了大量的工作。余国达等[8]研究了塑料齿轮稳态温度场的分布规律以及载荷和转速水平对稳态温度的影响；王振等[9]采用直接耦合法对齿轮进行热-结构分析，得到齿轮啮合时的瞬态温度场与应力，同时对影响结果的初始环境温度进行讨论；Hooke等[10]利用方形台架检测了3种材料的塑料齿轮磨损行为，开发了一种用于平均和最大齿轮温度的简单替代模型，并被证明可以更准确地预测磨损转变。

　　在封闭的系统级机电产品中，塑料齿轮的温度不仅受自身材料特性的影响，还取决于周围发热元件、对流环境、散热条件等热影响因素。本文利用Icepak仿真明确中置电机内部整体发热情况及塑料齿轮的稳态温度，并与实验室测得的结果对比验证仿真的准确性，在此基础上以传热学理论为指导，结合多次仿真得到的数据拟合出塑料齿轮的稳态温度与转速、扭矩三者的关系，从而为后续的齿轮温度预测及热优化策略提供指导。

　　1中置电机工作原理及内部结构

　　中置电机的作用是在用户骑行过程中提供助力扭矩，其基本原理是通过输出轴上嵌套的高精度扭矩传感器识别用户施加在曲柄上的踩踏扭矩，当踩踏扭矩超过扭矩阈值时，内部电路板便会启动助力，依据用户踩踏扭矩的大小，提供不同策略的助力扭矩[11]，整车图与整机图分别如图1与图2所示。

　   一台完整的中置电机的一般结构为：壳体、PCBA、马达、减速传动系统、传感器、连接器等。壳体主要负责防水防尘防腐以及散热，PCBA主要负责电路转换与助力控制，马达主要负责提供原始扭矩，减速传动系统负责将马达产生的高转速低扭矩的动力转换成低转速高扭矩的动力，传感器负责识别用户骑行意图并将信号反馈至PCBA进行处理，连接器主要负责整机与外界的供电、通信[12]，其内部爆炸图如图3所示。

　　2中置电机热仿真

　　2.1创建实体模型

　　Icepak具有专业的流体动力学的求解器，提供了电子设备热分析中常见的所有组件[13]，且支持CAD接口，前提是该CAD模型经过简化与修复。中置电机的散热方式为自然对流散热，对其散热效果影响较大的是表面散热面积[14]。因此选择重新手动建模，忽略对传热影响较小的特征，并保证简化后的散热面积与原模型基本一致，建模前后的模型分别如图4~7所示。对于电路板的建模，还应导入相应的布线、过孔等信息，导入的布线、过孔不参与CFD网格的划分，但Icepak能自动计算得出PCB的各项异性导热率[15]，能精准模拟热量在电路板上的传导路径。

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