分布式輪邊驅動電動汽車電機托臂設計與分析

趙德陽，李剛

摘 要：分布式輪邊驅動電動汽車驅動電機可以設計為懸架系統(tǒng)的簧載質量，相比于輪轂電機驅動平順性更好。文章采用CATIA軟件對輪邊驅動中支撐驅動電機和轉向電機的托臂進行設計建模，并應用ANSYS軟件對托臂進行了有限元分析。分析結果表明，所設計的托臂結構合理，能滿足支撐輪邊驅動電機和轉向電機的需求，實現(xiàn)了輪邊驅動減小簧下質量的目標。

關鍵詞：電動汽車;輪邊驅動;托臂;有限元分析

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-30-03

Corbel design and analysis of distributed wheel drive electric vehicle*

Zhao Deyang， Li Gang

（Automobile & Transportation Engineering College， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121001）

Abstract： The drive motor of the distributed wheel drive electric vehicle can be designed as the sprung mass of the suspension system， which has better driving smoothness than that of the hub motor. n this paper， CATIA software is used to design and model the corbel supporting the driving motor and steering motor in the wheel side drive， and ANSYS software is used to carry out the finite element analysis of the corbel.The analysis results show that the designed corbel structure is reasonable， which can meet the needs of supporting wheel drive motor and steering motor， and achieve the goal of reducing the unsprung mass of wheel drive.

Keywords： Electric vehicle; Wheel drive; Corbel; Finite element analysis

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-30-03

前言

當今根據(jù)我國國情，在多種形式的新能源汽車中，純電動汽車能夠實現(xiàn)零排放的目標，還可以利用夜間電網的低谷時段充電，這樣不但不會增加電網負荷，而且將成為一種有效的新的儲能手段，更能實現(xiàn)更優(yōu)的汽車動力學控制。純電動汽車必將取代混合動力等形式的新能源汽車而成為最終形式，而分布式輪邊驅動電動汽車由于各輪驅動電機輸出力矩獨立可控，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)中央驅動的差速器汽車難以實現(xiàn)的驅動動力學控制，是進行先進驅動力控制算法驗證的良好載體，因此近年來成為各大高校和科研院所競相研究的對象。國外的日本東京大學和日本東京農工大學等高校相繼開發(fā)出輪轂電機驅動分布式電動車[1][2][3]。國內的香港中文大學、同濟大學和吉林大學等也開發(fā)了輪轂電機驅動分布式電動汽車[4][5][6]。而采用輪邊驅動相比于輪轂電機獨立驅動[1]，可以通過巧妙的機械結構設計，對輪邊驅動電機進行支撐，實現(xiàn)驅動電機為懸架系統(tǒng)的簧載質量，使整車平順性得到更大的提升，同時輪邊驅動電機可以采用成熟的驅動系統(tǒng)，較輪轂電機技術成熟、可靠。但輪邊電機分布式驅動對機械結構的設計要求更高。基于此，本文采用CATIA三維建模設計了輪邊電機驅動系統(tǒng)中對驅動電機和轉向電機進行支撐的重要部件托臂的結構，并采用ANSYS軟件對托臂進行了有限元分析，實現(xiàn)所設計的托臂結構可靠，在一定程度上解決了輪邊驅動系統(tǒng)在機械設計上的一個難點。

1 托臂的設計

托臂設計是為了承載、安裝驅動電機，又不能與傳動系發(fā)生干涉[7]。托臂與轉向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)相連接，其通過法蘭盤連接轉向電機驅動，實現(xiàn)整體轉向，如圖1所示。

圖1 ?托臂的位置

本文設計的整個托臂各部分零件單獨加工，然后通過分體進行焊接，工藝簡單而且容易實現(xiàn)。由于焊接區(qū)域受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后在焊件中便產生焊接應力和變形。為保證托臂焊接變形量較小，采取將驅動電機等重要部件裝配再進行焊接。焊接后還需要消除焊接應力，矯正焊接變形。此外，焊接較厚的鋼板時，為了焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口，以便較容易地送入焊條或焊絲[8]。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。本文設計的托臂，在選擇坡口形式時，除保證焊透外還應考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費用低等因素。

圖2 ?托臂三維模型

為了加強強度，托臂多處設計加強肋，使結構更加可靠[9]。這樣的設計可以避免零部件的干涉，同時也可以保證托臂強度。托臂的所有零件均采用45號鋼加工，整體質量較重，而且承受質量較大，在盡可能保證強度下，零件的多處部分開孔開槽減重。托臂的三維建模如圖2所示。

2 托臂的有限元分析

采用ANSYS有限元分析軟件對所設計的托臂結構進行有限元分析[10]，分別得到托臂應力云圖、位移變形云圖和托螺栓孔臂應力云圖。

圖3 ?托臂應力云圖

由托臂應力云圖3可知，托臂所受最大應力76.88MPa。45鋼的抗拉強度為不小于600MPa，屈服強度為不小于355MPa[11]。但許用應力還需要根據(jù)安全系數(shù)來確定，一般是120MPa。綜上分析可知，托臂設計滿足承受轉向電機轉向力和對電機進行支撐的要求。

圖4 ?位移變形云圖

在ANSYS軟件中，對托臂螺栓孔施加作用力，將球籠固定位置的圓孔固定，分析托臂應力變形如圖4可知，托臂上表面受力較大，最大受力部分出現(xiàn)在紅色區(qū)域，最大變形量為0.133mm。托臂上表面的設計通過添加U型件焊接在托臂上邊緣處，可以有效增加其扭轉剛度，分析可知，本文設計可以滿足工作要求。

圖5 ?托臂螺栓孔臂應力云圖

若考慮轉向電機與托臂之間螺栓連接強度，則將托臂完全固定，施加M=500N·m的力矩。觀察受力點的應力情況，如圖5所示。8個螺栓孔共同承擔力矩，其單個螺栓收到的剪切應力最大為值為13.89MPa，而在輪邊驅動設計中所選用的8.8級螺栓可承受最大屈服強度為640MPa，可知，托臂螺栓孔位置滿足帶動驅動電機一起完成轉向的需求，托臂設計滿足設計要求。

3 結論

本文采用CATIA三維建模軟件對輪邊驅動系統(tǒng)中的托臂進行了設計建模，并應用有限元分析軟件ANSYS對建模后的托臂進行有限元分析。分析結果表明，本文所設計的托臂結構合理，滿足支撐驅動電機和轉向電機的需求。

參考文獻

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