趙德陽，李剛

摘 要：分布式輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以設(shè)計(jì)為懸架系統(tǒng)的簧載質(zhì)量，相比于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)平順性更好。文章采用CATIA軟件對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)中支撐驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的托臂進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)托臂進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的托臂結(jié)構(gòu)合理，能滿足支撐輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的需求，實(shí)現(xiàn)了輪邊驅(qū)動(dòng)減小簧下質(zhì)量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;輪邊驅(qū)動(dòng);托臂;有限元分析

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(dāng)今根據(jù)我國(guó)國(guó)情，在多種形式的新能源汽車中，純電動(dòng)汽車能夠?qū)崿F(xiàn)零排放的目標(biāo)，還可以利用夜間電網(wǎng)的低谷時(shí)段充電，這樣不但不會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)荷，而且將成為一種有效的新的儲(chǔ)能手段，更能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的汽車動(dòng)力學(xué)控制。純電動(dòng)汽車必將取代混合動(dòng)力等形式的新能源汽車而成為最終形式，而分布式輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于各輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩獨(dú)立可控，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)中央驅(qū)動(dòng)的差速器汽車難以實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)控制，是進(jìn)行先進(jìn)驅(qū)動(dòng)力控制算法驗(yàn)證的良好載體，因此近年來成為各大高校和科研院所競(jìng)相研究的對(duì)象。國(guó)外的日本東京大學(xué)和日本東京農(nóng)工大學(xué)等高校相繼開發(fā)出輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)分布式電動(dòng)車[1][2][3]。國(guó)內(nèi)的香港中文大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和吉林大學(xué)等也開發(fā)了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)分布式電動(dòng)汽車[4][5][6]。而采用輪邊驅(qū)動(dòng)相比于輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[1]，可以通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為懸架系統(tǒng)的簧載質(zhì)量，使整車平順性得到更大的提升，同時(shí)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以采用成熟的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，較輪轂電機(jī)技術(shù)成熟、可靠。但輪邊電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求更高?；诖?，本文采用CATIA三維建模設(shè)計(jì)了輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行支撐的重要部件托臂的結(jié)構(gòu)，并采用ANSYS軟件對(duì)托臂進(jìn)行了有限元分析，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的托臂結(jié)構(gòu)可靠，在一定程度上解決了輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)上的一個(gè)難點(diǎn)。

1 托臂的設(shè)計(jì)

托臂設(shè)計(jì)是為了承載、安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，又不能與傳動(dòng)系發(fā)生干涉[7]。托臂與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)相連接，其通過法蘭盤連接轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)向，如圖1所示。

圖1 ?托臂的位置

本文設(shè)計(jì)的整個(gè)托臂各部分零件單獨(dú)加工，然后通過分體進(jìn)行焊接，工藝簡(jiǎn)單而且容易實(shí)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(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。為保證托臂焊接變形量較小，采取將驅(qū)動(dòng)電機(jī)等重要部件裝配再進(jìn)行焊接。焊接后還需要消除焊接應(yīng)力，矯正焊接變形。此外，焊接較厚的鋼板時(shí)，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(shè)計(jì)的托臂，在選擇坡口形式時(shí)，除保證焊透外還應(yīng)考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費(fèi)用低等因素。

圖2 ?托臂三維模型

為了加強(qiáng)強(qiáng)度，托臂多處設(shè)計(jì)加強(qiáng)肋，使結(jié)構(gòu)更加可靠[9]。這樣的設(shè)計(jì)可以避免零部件的干涉，同時(shí)也可以保證托臂強(qiáng)度。托臂的所有零件均采用45號(hào)鋼加工，整體質(zhì)量較重，而且承受質(zhì)量較大，在盡可能保證強(qiáng)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(duì)所設(shè)計(jì)的托臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[10]，分別得到托臂應(yīng)力云圖、位移變形云圖和托螺栓孔臂應(yīng)力云圖。

圖3 ?托臂應(yīng)力云圖

由托臂應(yīng)力云圖3可知，托臂所受最大應(yīng)力76.88MPa。45鋼的抗拉強(qiáng)度為不小于600MPa，屈服強(qiáng)度為不小于355MPa[11]。但許用應(yīng)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(shè)計(jì)滿足承受轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)向力和對(duì)電機(jī)進(jìn)行支撐的要求。

圖4 ?位移變形云圖

在ANSYS軟件中，對(duì)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(yīng)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)剛度，分析可知，本文設(shè)計(jì)可以滿足工作要求。

圖5 ?托臂螺栓孔臂應(yīng)力云圖

若考慮轉(zhuǎn)向電機(jī)與托臂之間螺栓連接強(qiáng)度，則將托臂完全固定，施加M=500N·m的力矩。觀察受力點(diǎn)的應(yīng)力情況，如圖5所示。8個(gè)螺栓孔共同承擔(dān)力矩，其單個(gè)螺栓收到的剪切應(yīng)力最大為值為13.89MPa，而在輪邊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中所選用的8.8級(jí)螺栓可承受最大屈服強(qiáng)度為640MPa，可知，托臂螺栓孔位置滿足帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起完成轉(zhuǎn)向的需求，托臂設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文采用CATIA三維建模軟件對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的托臂進(jìn)行了設(shè)計(jì)建模，并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)建模后的托臂進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的托臂結(jié)構(gòu)合理，滿足支撐驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的需求。

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