提高車輪內置電機的結構完善性

0 前言

采用車輪內置電機的結構能給汽車更多的設計空間、降低車輛重心、減少車輛驅動系統所需的零件[1-2]，從而降低成本[3-4]。同時，由于消除了傳動系統的摩擦損失，因而能使汽車達到更高的能效[5-7]。采用車輪內置電機時，車輛能直接依靠車輪自身的推動力來驅動車輛前進[3,8-10]，還能讓車輛和底盤設計師們完全改變汽車的設計方法[9-10]，能在不增加車輛外觀尺寸的情況下為乘客和貨物留出更多的空間。因此，車輪直接驅動汽車的結構非常適用于注重安全、靈便和總成本的各種未來車輛。

在設計車輪內置電機時，必須綜合電磁設計、機械學、機加工、材料科學，以及電子學等方面的基礎知識和技能。由于缺少有關車輪內置電機的文獻、法規、規范和標準，需要在多個設計階段對設計和制造過程開展原始創新和反復的試驗驗證。

本研究重點是確定和研究作用在車輪內置電機上的各種負荷，哪些機械零件會受到這些負荷的影響，應該進行哪些試驗來驗證其耐久性，以及能在何種程度上來克服最終用戶可能遇到的最惡劣情況。總體而言，就是要提高電機的結構完善性，其中包括預測車輪內置電機系統受負荷作用時產生的系統響應。

1 作用在車輪內置電機上的負荷

設計的車輪內置電機必須在要求的各種條件下運轉(圖1)。對車輪內置電機進行恰當的預測和評估時，首先要識別作用在電機上的各種負荷，同時要全面了解車輛的動力學。圖2所示為作用在車輛內置電機上的各種負荷。

圖1 四輪驅動汽車采用車輪內置電機的結構布置(左前車輪為拆分狀態)

圖2 作用在車輪內置電機上的各種負荷

通常，作用在車輪內置電機上的負荷可以根據來源劃分為內部負荷和外部負荷。內部負荷來自電機本身，而外部負荷則來自外部作用力產生的負荷。內部負荷大多數是來自作用在電機零件上的電磁力和由電機熱特性產生的熱-機械負荷。電機發熱會在銅、層疊鋼(產生容積熱)和磁鐵中引起損失，并會在密封件和軸承中產生摩擦損失。

電磁力可以分成徑向和切向2個分量。電磁力的切向分量會產生驅動電機的轉矩。該轉矩的法向矢量就是電機的旋轉軸線(圖3)。電磁力的徑向分量則作用在半徑方向上。由于電機的空隙會有一定的偏心，因而最終的法向矢量會向某一側偏移。

圖3 負荷施加的軸坐標

車輪內置電機的機械結構件包括用不同材料制成的零件，零件的溫度差和不同材料的熱膨脹差異是熱負荷-機械負荷的主要來源，另一種內部負荷來自于裝配或制造過程。在車輪內置電機中會廣泛采用諸如螺栓連接或過盈配合等裝配連接技術。因此，不同材料相互接觸時會因熱膨脹的差異而產生熱-機械應力，這種情況通常會在壓配或在極端低溫下儲存時發生。

在制造過程中，車輪內置電機的零件也會因預加負荷而產生殘余應力。制造過程引起的負荷主要在機加工、鑄造或沖壓的過程中或過程后產生。為了使這些負荷和其產生的殘余應力減到最少，大多數電機零件都會采用熱處理工藝。內部負荷主要取決于車輪內置電機的電磁設計和機械設計，而外部負荷則主要與車輛的用途和車輛特性(如質量和重心)有關。多數車輛(如非道路用車輛或商用車)的車輪都要承受由輪胎與路面相互強烈作用產生的較高外部負荷，其中還包括車輪內置電機慣性引起的負荷。這就是說，外部負荷主要可以分為兩類，一類為慣性負荷，其中包括電機自身慣性產生的負荷；另一類為來自道路地面直接作用產生的負荷。

慣性負荷是車輛非彈性質量加速時產生的負荷，這種加速可以是隨機的加速或確定的加速。隨機加速負荷是疲勞評定(耐振動分析)的依據，在ISO 16750:2007標準中有明確的規定。疲勞試驗需要模擬車輪內置電機整個壽命期內經受的各種負荷。確定的沖擊加速負荷則是復現車輛高速行駛時車輪與道路障礙物或坑洼路面接觸時的運行狀況。除了ISO標準規定的負荷外，Elaphe公司還提出了自定的試驗負荷，是根據車輛轉向器非彈性零件上測得的加速度值來確定的，這些測量值是車輛在專用的噪聲-振動-平順性(NVH)試驗路面(圖4)上行駛時獲得的。

圖4 NVH 試驗專用路面

另一種外部負荷直接來自道路與輪胎接觸時的外力和作用在電機上的彎曲力矩。這些負荷隨后會通過輪緣與路面的接觸傳遞到輪胎和萬向節的軸承，并繼續傳遞到車輛的底盤上，如圖5所示。

圖5 從路面到萬向節的負荷傳遞情況

為了預測最關鍵的外部負荷以進一步評估零件的結構完善性，需要研究車輛的動力學，就外部負荷而言，有2種主要的行駛狀況對車輛動力學是較為重要的。第一種行駛狀況是緊急制動或急轉彎，圖6和圖7所示為車輛重心處的加速度和所有4個車輪承受的側向力。針對Elaphe公司的改型SUV車進行了車輛動力學模擬。由圖6可知，采用車輪內置電機驅動的Elaphe公司SUV車能達到1.1 G的側向加速度，其側向力高達14 kN(圖7)。

圖6 急轉彎時側向加速度隨時間的變化

圖7 急轉彎時側向力隨時間的變化

另一種重要的外部負荷是沖擊負荷。這些沖擊負荷是車輛在粗糙路面、坑洼路面或有障礙物路面(圖4)行駛時產生的負荷。Elaphe公司按照SAE標準對這種外部負荷進行了評估。

從變形的角度而不是從應力的角度來看，來自路面的負荷對于車輪內置電機來說并不是關鍵的負荷。來自路面的作用負荷會在軸承上施加較大的外力和彎曲力矩，因此在選擇軸承時應確保它具有足夠的能力來承受所有的負荷。作用在軸承上的彎曲力矩會使電機的旋轉零件與靜止零件之間發生偏位，這種偏位會直接影響到車輪內置電機的空隙狀態。圖8(a)所示為軸承的負荷，圖8(b)所示為定子與轉子之間的空隙。傳統車輪的軸承發生變形并不會帶來過大的問題，然而，在車輪內置電機的場合，軸承變形則會直接導致電機的空隙發生不利的變化，從而影響到電機的效率。為了確保電機的空隙穩定，必須采用剛性好、耐用、緊湊和輕量的軸承。

圖8 軸承的負荷和定子與轉子之間的空隙示意圖

通過對上述所有負荷，及其對車輪內置電機結構影響的分析，就可以確定需要達到的設計要求，這些要求也是評定和測試車輪內置電機結構完善性的基準。

2 設計和優化

在確定了各種負荷及其對車輪內置電機的影響和設計要求以后，就可以利用其來進行以下工作：零件設計和優化；最終可用設計的評定；零件測試，以證實其適用性和確認數值分析的結果。

為了使零件的設計能在輕量、功能和耐久性方面達到規定的要求，在設計的早期階段就要采用反復的拓撲數值優化技術進行零件設計，通常要設定降低噪聲和質量的目標，同時還應確保零件的剛度處在允許的范圍以內。

在開始優化之前，必須確定電機的結構方案。可以選擇象輪圈、制動器和軸承等零部件來確定車輪內置電機的可用設計空間。必須十分精準地確定設計空間，因為電機最終的結構完善性將與確定的設計空間密切相關。

較大的零部件(如定子和轉子殼)需要經受更多次數的反復優化。按照確定的設計空間，一開始就要采用拓撲優化方法進行設計。這樣做的用意是要確保設計的零件能在達到目標剛度的情況下質量更輕，同時又能承受一定的負荷。需要采用不同的負荷組合來進行這些優化，優化的目標通常是要使設計的零件能在質量盡可能輕的情況下具有足夠的強度和較小的應力。在確定零件的設計時，還要考慮到制造的約束條件。圖9所示為定子板拓撲優化的結果示例。

圖9 定子板的拓撲優化(j為成功反復優化的次數)

為了挑選出最終可用的設計，必須用適當的方式來闡明若干最佳設計的結果(圖10)。在進行這部分設計時，通常要取得工業設計師們的支持，他們會對最佳的設計提出一些指導意見，使之成為最終可用的設計。

在通過反復的優化過程完成了某個零件的設計之后，必須通過最終的數值分析將其作為整個計算機輔助設計(CAD)總成的一部分來進行全面的評定。首先要進行靜態模擬。對于那些由塑性、流變特性(負荷施加速度的影響)和非線性接觸(如壓配和摩擦相關的特性)產生的非線性影響，要與裝配連接的影響一起加以充分的考慮。

在所有3個方向需要施加的沖擊負荷通常為100 G。圖11所示為縱向沖擊試驗的結果，圖中顯示了零件上應力和變形的分布情況。

圖10 定子板部件的設計過程

應力-應變(б/ε)場是評定結構完善性和說明所有零件負荷承受能力的重要物理量和品質參數。

圖11 在100 G沖擊負荷作用下的應力和變形情況

當發現某些零件的優化結果處于臨界值或達不到要求時，該設計流程應重新進行，并要對重新設計的零件再進行評定。這一設計流程要反復進行到滿足所有的要求為止。這種設計過程也稱之為擴展設計優化過程。圖12所示就是以應力-應變為條件進行優化零件的設計步驟。圖13為加速度的功率譜密度隨頻率的變化。

圖12 確認最終的總成部件和確定輸入數據的擴展設計優化過程(作用在電機上的負荷、負荷傳遞情況、各項要求、電機零件的設計流程和總成分析)

圖13 加速度的功率譜密度隨頻率的變化(按ISO16750-3:2007標準確定疲勞信號)

在這一設計階段，要評定車輪內置電機的NVH特性。模擬分析是確定NVH特性的基礎，需要與諧振激勵相結合來獲得結構的動態響應，也是結構完善性的一部分，其基本原理屬于應力-應變范疇。必須指出的是，結構完善性還包括車輪內置電機的聲學特性，因為聲學分析的物理現象就是動態特性，其基礎還是屬于應力-應變范疇。

在完成了靜態評定和NVH分析以后，必須評定所有重要零件的疲勞壽命。如前所述，應按照ISO16750-3:2007標準的規定來確定疲勞評定的隨機負荷。

為了得知零件的預期疲勞壽命，通常采用與材料疲勞特性相結合的統計評估方法來進行疲勞分析。圖14所示為第一輪擴展設計過程中獲得的疲勞分析結果。圖中顯示，若干有限元部位出現了疲勞損環，因此需要根據圖12的設計流程對零件的設計進行重新評估。

圖14 若干有限元部位顯示零件出現了疲勞損環

3 確認最終的總成部件

當采用擴展設計優化過程完成了車輛內置電機大多數零件的設計后，為了最后確認零件的性能，在零件的最后設計階段，需要將其放到最終的總成部件上作進一步的分析評定。這一評定涉及到的負荷包括那些不能單獨分析的負荷，以及只是施加在零件上且只作為系統響應來評定的負荷，被稱之為與總成相關的負荷(圖12)。

熱-機械負荷就是第一種與總成相關的負荷，被用來模擬電機空隙變形的情況。如前所述，電機總成由若干相互接觸的不同材料制成的零件組成，在半徑方向和軸線方向會出現一定的溫度差(圖3)。不同材料的零件以不同的溫度處于半徑范圍的不同位置，這些零件的熱膨脹差異及零件之間和零件內部的應力會導致不均勻變形(徑向)，從而使定子出現雞蛋形變形，這就是圖15所示的車輪內置電機的熱-機械現象。不均勻徑向變形的另一種空隙變化形態，如圖8所示。必須指出的是，剛性較好的零件(如鋁和銅組合而成的零件)容易造成雞蛋形形變。為了預測在力和力矩作用下產生的變形，必須先確定軸承本身的剛度。

圖15 電機的熱-機械現象(在無環氧樹脂和銅制零件的情況下定子的雞蛋形形變情況)

可以根據軸承的尺寸來分析和計算軸承的剛性。圖16為Elaphe公司開發的確定軸承剛度的計算軟件頁面示例。為了獲得較高的計算精度，研究人員分別在德國Fraunhofer LBF研究所的車輪加速壽命試驗機上和斯洛伐尼亞Ljubljana大學的軸承偏轉測試臺上測定了軸承的剛度。

在得知了軸承的剛度后，就可以進行道路負荷作用下的電機空隙變形分析。這一分析涉及的外部負荷為急轉彎或緊急制動時產生的靜態負荷和因負荷快速變化(如輪胎與道路接觸時引起的顫振)產生的動態負荷。這些負荷就是第2種與總成相關的負荷。為了充分了解在坑洼路面等粗糙道路上行駛時總成承受嚴酷外部負荷作用時的性能狀態，進行了這種行駛狀況下的總成部件模擬分析(圖17)。分析對象包括整個電機總成連同懸架和底盤。

圖16 Elaphe公司開發的確定軸承剛度的計算軟件頁面示例

圖17 在坑洼路面上行駛時的數值模擬(有限元分析，采用Abaqus軟件的最終數值分析)

圖18所示為估算的電機空隙變形情況，是有限元法分析的主要結果。圖中顯示，空隙變形的動態變化非常大。這些變形包括了總空隙偏離車輪內置電機名義公差的計算誤差。Elaphe公司還進行了加速度測定和剛體動態模擬，以證實有限元分析的精確度。結果表明，峰值震蕩在20%以內(圖19)。

以上介紹的設計步驟、分析方法和程序是確定車輪內置電機結構完善性的基礎。為了證實計算結果，必須進行實際使用壽命的驗證試驗，以確認它們是否符合標準和內部的要求。圖19表明，由于不同的分析方法會產生不同的結果，因而用試驗來驗證計算的結果顯得十分重要。

圖18 在坑洼路面行駛時電機空隙的變形情況(半徑方向,有限元法分析，Abaqus軟件分析)

圖19 在坑洼路面行駛時電機空隙的變形情況(有限元法分析，測量值和多體動力學分析之間的比較，G=9.81 m/s2)

4 試驗與驗證

通過試驗對車輪內置電機零件及總成的模擬結果和設計方案進行了驗證。大多數試驗都是在施加各種機械負荷的情況下完成的。應當指出的是，所有確認零件優化設計的試驗都遵循汽車工業采用的標準試驗流程。

4.1 軸承剛度特性試驗

軸承剛度可以采用有限元分析數值模擬或測試等不同的方法來確定，然而這些方法確定的軸承特性只是對軸承的初步評估，最后的實際結果還需要通過在軸承偏轉測試臺(圖20)上進行的軸承偏轉試驗和在車輪加速壽命試驗機上的試驗來作進一步的驗證。如圖21所示，分析的結果與試驗結果之間的差異在15%以內。

圖20 Ljubljana大學實驗室的軸承偏轉測試臺

圖21 軸承偏轉測量值與計算結果的比較

4.2 機械沖擊試驗

圖22 車輪內置電機的沖擊試驗裝置

機械沖擊試驗按照ISO16750-3:2007標準的規定進行。該試驗由沖擊力為100 G的18次沖擊(每個軸線方向各6次)和沖擊力為50 G的60次沖擊(每個軸線方向各20次)組成。這兩種沖擊負荷的半正弦曲線持續時間均為6 ms。圖22所示為車輪內置電機的沖擊試驗裝置。

機械沖擊試驗的故障模式包括轉子和定子相接觸、殼體出現裂紋、位置傳感器測得的角度縮減。后一種故障模式在行駛過程中尤為重要，因為角度縮減會導致電機控制能力受損。通過對試驗前后的角偏移量與傳感器標定值的比較，就可以知道試驗期間是否出現了這種故障模式。對于最佳的電機控制，表1所列的電力角數據應該在±3°以內。

表1 傳感器的角偏移測量值

4.3 耐隨機振動試驗

耐隨機振動試驗也按照ISO16750-3:2007標準的規定進行。這是在帶加熱裝置的振動試驗臺上進行的疲勞試驗，加熱裝置安裝在振動試驗臺的周圍，用以控制試驗時的環境溫度。該試驗采用的隨機疲勞信號如圖13所示。電機要在所有3個方向(圖3)經受8 h隨機振動的加速負荷試驗，該隨機振動會在20～2 000 Hz頻率范圍內形成平均值為10 G的激勵形態，峰值加速度可高達40 G。

圖23為軸線方向施加負荷的隨機振動試驗裝置，其中圖23(a)為試驗前的情況，圖23(b)為試驗過程中的情況。圖24所示為隨機振動試驗前后的固有頻率檢測結果。諧振峰值幾乎都在相同的頻率出現，而振幅則由于振動沖擊的確切強度不同而各不相同。如果在振動調節過程中殼體出現裂紋，固有頻率的位置會在頻率范圍內沿軸線方向發生變化。

圖23 在軸線方向施加負荷的隨機振動試驗裝置

圖24 試驗前后車輪內置電機軸線方向的固有頻率

4.4 軸承和車輪內置電機零件的耐久性試驗

試驗開發的幾臺車輪加速壽命試驗機能在80 s內測定車輪相關零件相當于在使用壽命期內發生的故障情況。這些試驗主要用來測定輪胎、輪圈和軸承的耐久性，并且還可用于車輪內置電機零件的試驗。這種車輪加速壽命試驗機更適用于車輪內置電機的耐久性試驗。圖25所示為Elaphe公司的1種車輪內置電機安裝在車輪加速壽命試驗機上的情況。

圖25 M701型車輪內置電機安裝在車輪加速壽命試驗機上的情況

為了證實車輪內置電機選用的軸承能否承受得住各種負荷的作用，在試驗過程中施加了一系列轉向負荷和持續的徑向負荷。轉向負荷是根據試驗的需要來確定的，以觀察電機的空隙中是否會在試驗過程的任何時間出現接觸點，并確認軸承是否能承受得住這種負荷。持續徑向負荷試驗按照SAE J328/2016-03標準的要求進行。該標準的宗旨是規定乘用車和輕型卡車的車輪售后性能。對于車輪內置電機來說，該標準也具有同樣的價值，因為其不僅考慮到了軸承和車輪，而且還考慮到了車輪中附屬部件的加速壽命性能。由于施加在軸承上的負荷增加了250%，因而加速壽命試驗的時間減少到了約22 h。在試驗結束時還增加了1次轉向負荷試驗。

利用增設在徑向和軸向的2個測量電機空隙變形的傳感器，評定了電機轉動時的剛度。該項測量在整個試驗過程中連續進行。另外，還測定了不同彎曲力矩下的彎曲剛度特性(圖26)。測量結果顯示，試驗前后的剛度差異不超過10%。應當強調的是，為了對Ljubljana大學的試驗數據與分析計算值進行比較，在圖21中也添加了這些測量結果。

圖26 施加轉向負荷和持續徑向負荷時試驗前后的彎曲剛度測量值

利用設置在輪轂上的2個熱電偶跟蹤了軸承的工作狀態。結果顯示，在進行持續負荷試驗期間，軸承的溫度始終保持不變，這表明軸承沒有發生任何損壞。試驗過程中既沒有零件出現故障，也沒有發現電機空隙中有接觸點。試驗證實，選用的軸承和設計及各零件的擴展設計優化過程是有效的。

5 結論

提出了1種車輪內置電機的設計和驗證方法。詳細闡述了該電機承受的由猛烈駕駛、電機內部發熱、以及機械制動操作和制造過程產生的各種內部負荷和外部負荷。介紹了設計過程的各個環節，包括負荷的識別以及確定和評估這些負荷的方法和策略、采用有限元法的結構和疲勞分析、通過模擬確定軸承的剛度、電機空隙變形的評定、結構優化和驗證試驗。

試驗結果顯示，高達100 G的機械沖擊試驗對電機的功能幾乎沒有什么影響，電機順利通過了隨機振動疲勞試驗，因此可以確認，電機和零件的設計是有效的。

軸承的耐久試驗表明，在車輪加速壽命試驗機上進行耐久試驗時，軸承在承受高達250%額定負荷的情況下有能力使電機保持足夠的空隙。除了軸承以外，整個車輪內置電機總成也通過了這些試驗。鑒于試驗的目標是要達到SAE J328/2016-03標準的要求，因此得出一個重要結論是，現有的車輪標準可以引用為車輪內置電機的標準。

車輪內置電機技術的一個重要制約因素是缺乏相關的參考文獻、法規、規范和標準。驗證試驗證實，車輪內置電機結構完善性的數值評定原則是有效的。擴展設計優化過程與加速壽命試驗等各項試驗相結合的實踐表明，可以將車輪的相關標準引用為車輛內置電機的技術標準。考慮到電動汽車動力總成的要求正在發生快速變化，Elaphe公司將繼續致力于該領域基本技術要求的研究，努力開發可靠、耐用的車輪內置電機。