分布式轮边驱动电动汽车电机托臂设计与分析

赵德阳，李刚

摘 要：分布式轮边驱动电动汽车驱动电机可以设计为悬架系统的簧载质量，相比于轮毂电机驱动平顺性更好。文章采用CATIA软件对轮边驱动中支撑驱动电机和转向电机的托臂进行设计建模，并应用ANSYS软件对托臂进行了有限元分析。分析结果表明，所设计的托臂结构合理，能满足支撑轮边驱动电机和转向电机的需求，实现了轮边驱动减小簧下质量的目标。

关键词：电动汽车;轮边驱动;托臂;有限元分析

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：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

當今根据我国国情，在多种形式的新能源汽车中，纯电动汽车能够实现零排放的目标，还可以利用夜间电网的低谷时段充电，这样不但不会增加电网负荷，而且将成为一种有效的新的储能手段，更能实现更优的汽车动力学控制。纯电动汽车必将取代混合动力等形式的新能源汽车而成为最终形式，而分布式轮边驱动电动汽车由于各轮驱动电机输出力矩独立可控，可以实现传统中央驱动的差速器汽车难以实现的驱动动力学控制，是进行先进驱动力控制算法验证的良好载体，因此近年来成为各大高校和科研院所竞相研究的对象。国外的日本东京大学和日本东京农工大学等高校相继开发出轮毂电机驱动分布式电动车[1][2][3]。国内的香港中文大学、同济大学和吉林大学等也开发了轮毂电机驱动分布式电动汽车[4][5][6]。而采用轮边驱动相比于轮毂电机独立驱动[1]，可以通过巧妙的机械结构设计，对轮边驱动电机进行支撑，实现驱动电机为悬架系统的簧载质量，使整车平顺性得到更大的提升，同时轮边驱动电机可以采用成熟的驱动系统，较轮毂电机技术成熟、可靠。但轮边电机分布式驱动对机械结构的设计要求更高。基于此，本文采用CATIA三维建模设计了轮边电机驱动系统中对驱动电机和转向电机进行支撑的重要部件托臂的结构，并采用ANSYS软件对托臂进行了有限元分析，实现所设计的托臂结构可靠，在一定程度上解决了轮边驱动系统在机械设计上的一个难点。

1 托臂的设计

托臂设计是为了承载、安装驱动电机，又不能与传动系发生干涉[7]。托臂与转向系统、悬架系统相连接，其通过法兰盘连接转向电机驱动，实现整体转向，如图1所示。

图1  托臂的位置

本文设计的整个托臂各部分零件单独加工，然后通过分体进行焊接，工艺简单而且容易实现。由于焊接区域受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。为保证托臂焊接变形量较小，采取将驱动电机等重要部件装配再进行焊接。焊接后还需要消除焊接应力，矫正焊接变形。此外，焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝[8]。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。本文设计的托臂，在选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。

图2  托臂三维模型

为了加强强度，托臂多处设计加强肋，使结构更加可靠[9]。这样的设计可以避免零部件的干涉，同时也可以保证托臂强度。托臂的所有零件均采用45号钢加工，整体质量较重，而且承受质量较大，在尽可能保证强度下，零件的多处部分开孔开槽减重。托臂的三维建模如图2所示。

2 托臂的有限元分析

采用ANSYS有限元分析软件对所设计的托臂结构进行有限元分析[10]，分别得到托臂应力云图、位移变形云图和托螺栓孔臂应力云图。

图3  托臂应力云图

由托臂应力云图3可知，托臂所受最大应力76.88MPa。45钢的抗拉强度为不小于600MPa，屈服强度为不小于355MPa[11]。但许用应力还需要根据安全系数来确定，一般是120MPa。综上分析可知，托臂设计满足承受转向电机转向力和对电机进行支撑的要求。

图4  位移变形云图

在ANSYS软件中，对托臂螺栓孔施加作用力，将球笼固定位置的圆孔固定，分析托臂应力变形如图4可知，托臂上表面受力较大，最大受力部分出现在红色区域，最大变形量为0.133mm。托臂上表面的设计通过添加U型件焊接在托臂上边缘处，可以有效增加其扭转刚度，分析可知，本文设计可以满足工作要求。

图5  托臂螺栓孔臂应力云图

若考虑转向电机与托臂之间螺栓连接强度，则将托臂完全固定，施加M=500N·m的力矩。观察受力点的应力情况，如图5所示。8个螺栓孔共同承担力矩，其单个螺栓收到的剪切应力最大为值为13.89MPa，而在轮边驱动设计中所选用的8.8级螺栓可承受最大屈服强度为640MPa，可知，托臂螺栓孔位置满足带动驱动电机一起完成转向的需求，托臂设计满足设计要求。

3 结论

本文采用CATIA三维建模软件对轮边驱动系统中的托臂进行了设计建模，并应用有限元分析软件ANSYS对建模后的托臂进行有限元分析。分析结果表明，本文所设计的托臂结构合理，满足支撑驱动电机和转向电机的需求。

参考文献

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