提高車輪內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)完善性

0 前言

采用車輪內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)能給汽車更多的設(shè)計(jì)空間、降低車輛重心、減少車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的零件[1-2]，從而降低成本[3-4]。同時(shí)，由于消除了傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦損失，因而能使汽車達(dá)到更高的能效[5-7]。采用車輪內(nèi)置電機(jī)時(shí)，車輛能直接依靠車輪自身的推動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)[3,8-10]，還能讓車輛和底盤設(shè)計(jì)師們完全改變汽車的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)非常適用于注重安全、靈便和總成本的各種未來車輛。

在設(shè)計(jì)車輪內(nèi)置電機(jī)時(shí)，必須綜合電磁設(shè)計(jì)、機(jī)械學(xué)、機(jī)加工、材料科學(xué)，以及電子學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。由于缺少有關(guān)車輪內(nèi)置電機(jī)的文獻(xiàn)、法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，需要在多個(gè)設(shè)計(jì)階段對設(shè)計(jì)和制造過程開展原始創(chuàng)新和反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

本研究重點(diǎn)是確定和研究作用在車輪內(nèi)置電機(jī)上的各種負(fù)荷，哪些機(jī)械零件會(huì)受到這些負(fù)荷的影響，應(yīng)該進(jìn)行哪些試驗(yàn)來驗(yàn)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(jī)的結(jié)構(gòu)完善性，其中包括預(yù)測車輪內(nèi)置電機(jī)系統(tǒng)受負(fù)荷作用時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)。

1 作用在車輪內(nèi)置電機(jī)上的負(fù)荷

設(shè)計(jì)的車輪內(nèi)置電機(jī)必須在要求的各種條件下運(yùn)轉(zhuǎn)(圖1)。對車輪內(nèi)置電機(jī)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)測和評估時(shí)，首先要識(shí)別作用在電機(jī)上的各種負(fù)荷，同時(shí)要全面了解車輛的動(dòng)力學(xué)。圖2所示為作用在車輛內(nèi)置電機(jī)上的各種負(fù)荷。

圖1 四輪驅(qū)動(dòng)汽車采用車輪內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)布置(左前車輪為拆分狀態(tài))

圖2 作用在車輪內(nèi)置電機(jī)上的各種負(fù)荷

通常，作用在車輪內(nèi)置電機(jī)上的負(fù)荷可以根據(jù)來源劃分為內(nèi)部負(fù)荷和外部負(fù)荷。內(nèi)部負(fù)荷來自電機(jī)本身，而外部負(fù)荷則來自外部作用力產(chǎn)生的負(fù)荷。內(nèi)部負(fù)荷大多數(shù)是來自作用在電機(jī)零件上的電磁力和由電機(jī)熱特性產(chǎn)生的熱-機(jī)械負(fù)荷。電機(jī)發(fā)熱會(huì)在銅、層疊鋼(產(chǎn)生容積熱)和磁鐵中引起損失，并會(huì)在密封件和軸承中產(chǎn)生摩擦損失。

電磁力可以分成徑向和切向2個(gè)分量。電磁力的切向分量會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩的法向矢量就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(jī)的空隙會(huì)有一定的偏心，因而最終的法向矢量會(huì)向某一側(cè)偏移。

圖3 負(fù)荷施加的軸坐標(biāo)

車輪內(nèi)置電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(fù)荷-機(jī)械負(fù)荷的主要來源，另一種內(nèi)部負(fù)荷來自于裝配或制造過程。在車輪內(nèi)置電機(jī)中會(huì)廣泛采用諸如螺栓連接或過盈配合等裝配連接技術(shù)。因此，不同材料相互接觸時(shí)會(huì)因熱膨脹的差異而產(chǎn)生熱-機(jī)械應(yīng)力，這種情況通常會(huì)在壓配或在極端低溫下儲(chǔ)存時(shí)發(fā)生。

在制造過程中，車輪內(nèi)置電機(jī)的零件也會(huì)因預(yù)加負(fù)荷而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。制造過程引起的負(fù)荷主要在機(jī)加工、鑄造或沖壓的過程中或過程后產(chǎn)生。為了使這些負(fù)荷和其產(chǎn)生的殘余應(yīng)力減到最少，大多數(shù)電機(jī)零件都會(huì)采用熱處理工藝。內(nèi)部負(fù)荷主要取決于車輪內(nèi)置電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)，而外部負(fù)荷則主要與車輛的用途和車輛特性(如質(zhì)量和重心)有關(guān)。多數(shù)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(qiáng)烈作用產(chǎn)生的較高外部負(fù)荷，其中還包括車輪內(nèi)置電機(jī)慣性引起的負(fù)荷。這就是說，外部負(fù)荷主要可以分為兩類，一類為慣性負(fù)荷，其中包括電機(jī)自身慣性產(chǎn)生的負(fù)荷；另一類為來自道路地面直接作用產(chǎn)生的負(fù)荷。

慣性負(fù)荷是車輛非彈性質(zhì)量加速時(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷，這種加速可以是隨機(jī)的加速或確定的加速。隨機(jī)加速負(fù)荷是疲勞評定(耐振動(dòng)分析)的依據(jù)，在ISO 16750:2007標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。疲勞試驗(yàn)需要模擬車輪內(nèi)置電機(jī)整個(gè)壽命期內(nèi)經(jīng)受的各種負(fù)荷。確定的沖擊加速負(fù)荷則是復(fù)現(xiàn)車輛高速行駛時(shí)車輪與道路障礙物或坑洼路面接觸時(shí)的運(yùn)行狀況。除了ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負(fù)荷外，Elaphe公司還提出了自定的試驗(yàn)負(fù)荷，是根據(jù)車輛轉(zhuǎn)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(dòng)-平順性(NVH)試驗(yàn)路面(圖4)上行駛時(shí)獲得的。

圖4 NVH 試驗(yàn)專用路面

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

圖5 從路面到萬向節(jié)的負(fù)荷傳遞情況

為了預(yù)測最關(guān)鍵的外部負(fù)荷以進(jìn)一步評估零件的結(jié)構(gòu)完善性，需要研究車輛的動(dòng)力學(xué)，就外部負(fù)荷而言，有2種主要的行駛狀況對車輛動(dòng)力學(xué)是較為重要的。第一種行駛狀況是緊急制動(dòng)或急轉(zhuǎn)彎，圖6和圖7所示為車輛重心處的加速度和所有4個(gè)車輪承受的側(cè)向力。針對Elaphe公司的改型SUV車進(jìn)行了車輛動(dòng)力學(xué)模擬。由圖6可知，采用車輪內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Elaphe公司SUV車能達(dá)到1.1 G的側(cè)向加速度，其側(cè)向力高達(dá)14 kN(圖7)。

圖6 急轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化

圖7 急轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向力隨時(shí)間的變化

另一種重要的外部負(fù)荷是沖擊負(fù)荷。這些沖擊負(fù)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(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷。Elaphe公司按照SAE標(biāo)準(zhǔn)對這種外部負(fù)荷進(jìn)行了評估。

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

圖8 軸承的負(fù)荷和定子與轉(zhuǎn)子之間的空隙示意圖

通過對上述所有負(fù)荷，及其對車輪內(nèi)置電機(jī)結(jié)構(gòu)影響的分析，就可以確定需要達(dá)到的設(shè)計(jì)要求，這些要求也是評定和測試車輪內(nèi)置電機(jī)結(jié)構(gòu)完善性的基準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在確定了各種負(fù)荷及其對車輪內(nèi)置電機(jī)的影響和設(shè)計(jì)要求以后，就可以利用其來進(jìn)行以下工作：零件設(shè)計(jì)和優(yōu)化；最終可用設(shè)計(jì)的評定；零件測試，以證實(shí)其適用性和確認(rèn)數(shù)值分析的結(jié)果。

為了使零件的設(shè)計(jì)能在輕量、功能和耐久性方面達(dá)到規(guī)定的要求，在設(shè)計(jì)的早期階段就要采用反復(fù)的拓?fù)鋽?shù)值優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，通常要設(shè)定降低噪聲和質(zhì)量的目標(biāo)，同時(shí)還應(yīng)確保零件的剛度處在允許的范圍以內(nèi)。

在開始優(yōu)化之前，必須確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案?？梢赃x擇象輪圈、制動(dòng)器和軸承等零部件來確定車輪內(nèi)置電機(jī)的可用設(shè)計(jì)空間。必須十分精準(zhǔn)地確定設(shè)計(jì)空間，因?yàn)殡姍C(jī)最終的結(jié)構(gòu)完善性將與確定的設(shè)計(jì)空間密切相關(guān)。

較大的零部件(如定子和轉(zhuǎn)子殼)需要經(jīng)受更多次數(shù)的反復(fù)優(yōu)化。按照確定的設(shè)計(jì)空間，一開始就要采用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣做的用意是要確保設(shè)計(jì)的零件能在達(dá)到目標(biāo)剛度的情況下質(zhì)量更輕，同時(shí)又能承受一定的負(fù)荷。需要采用不同的負(fù)荷組合來進(jìn)行這些優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)通常是要使設(shè)計(jì)的零件能在質(zhì)量盡可能輕的情況下具有足夠的強(qiáng)度和較小的應(yīng)力。在確定零件的設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到制造的約束條件。圖9所示為定子板拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果示例。

圖9 定子板的拓?fù)鋬?yōu)化(j為成功反復(fù)優(yōu)化的次數(shù))

為了挑選出最終可用的設(shè)計(jì)，必須用適當(dāng)?shù)姆绞絹黻U明若干最佳設(shè)計(jì)的結(jié)果(圖10)。在進(jìn)行這部分設(shè)計(jì)時(shí)，通常要取得工業(yè)設(shè)計(jì)師們的支持，他們會(huì)對最佳的設(shè)計(jì)提出一些指導(dǎo)意見，使之成為最終可用的設(shè)計(jì)。

在通過反復(fù)的優(yōu)化過程完成了某個(gè)零件的設(shè)計(jì)之后，必須通過最終的數(shù)值分析將其作為整個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)總成的一部分來進(jìn)行全面的評定。首先要進(jìn)行靜態(tài)模擬。對于那些由塑性、流變特性(負(fù)荷施加速度的影響)和非線性接觸(如壓配和摩擦相關(guān)的特性)產(chǎn)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(gè)方向需要施加的沖擊負(fù)荷通常為100 G。圖11所示為縱向沖擊試驗(yàn)的結(jié)果，圖中顯示了零件上應(yīng)力和變形的分布情況。

圖10 定子板部件的設(shè)計(jì)過程

應(yīng)力-應(yīng)變(б/ε)場是評定結(jié)構(gòu)完善性和說明所有零件負(fù)荷承受能力的重要物理量和品質(zhì)參數(shù)。

圖11 在100 G沖擊負(fù)荷作用下的應(yīng)力和變形情況

當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些零件的優(yōu)化結(jié)果處于臨界值或達(dá)不到要求時(shí)，該設(shè)計(jì)流程應(yīng)重新進(jìn)行，并要對重新設(shè)計(jì)的零件再進(jìn)行評定。這一設(shè)計(jì)流程要反復(fù)進(jìn)行到滿足所有的要求為止。這種設(shè)計(jì)過程也稱之為擴(kuò)展設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。圖12所示就是以應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)闂l件進(jìn)行優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)步驟。圖13為加速度的功率譜密度隨頻率的變化。

圖12 確認(rèn)最終的總成部件和確定輸入數(shù)據(jù)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)優(yōu)化過程(作用在電機(jī)上的負(fù)荷、負(fù)荷傳遞情況、各項(xiàng)要求、電機(jī)零件的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)確定疲勞信號(hào))

在這一設(shè)計(jì)階段，要評定車輪內(nèi)置電機(jī)的NVH特性。模擬分析是確定NVH特性的基礎(chǔ)，需要與諧振激勵(lì)相結(jié)合來獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也是結(jié)構(gòu)完善性的一部分，其基本原理屬于應(yīng)力-應(yīng)變范疇。必須指出的是，結(jié)構(gòu)完善性還包括車輪內(nèi)置電機(jī)的聲學(xué)特性，因?yàn)槁晫W(xué)分析的物理現(xiàn)象就是動(dòng)態(tài)特性，其基礎(chǔ)還是屬于應(yīng)力-應(yīng)變范疇。

在完成了靜態(tài)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(yīng)按照ISO16750-3:2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來確定疲勞評定的隨機(jī)負(fù)荷。

為了得知零件的預(yù)期疲勞壽命，通常采用與材料疲勞特性相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)評估方法來進(jìn)行疲勞分析。圖14所示為第一輪擴(kuò)展設(shè)計(jì)過程中獲得的疲勞分析結(jié)果。圖中顯示，若干有限元部位出現(xiàn)了疲勞損環(huán)，因此需要根據(jù)圖12的設(shè)計(jì)流程對零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評估。

圖14 若干有限元部位顯示零件出現(xiàn)了疲勞損環(huán)

3 確認(rèn)最終的總成部件

當(dāng)采用擴(kuò)展設(shè)計(jì)優(yōu)化過程完成了車輛內(nèi)置電機(jī)大多數(shù)零件的設(shè)計(jì)后，為了最后確認(rèn)零件的性能，在零件的最后設(shè)計(jì)階段，需要將其放到最終的總成部件上作進(jìn)一步的分析評定。這一評定涉及到的負(fù)荷包括那些不能單獨(dú)分析的負(fù)荷，以及只是施加在零件上且只作為系統(tǒng)響應(yīng)來評定的負(fù)荷，被稱之為與總成相關(guān)的負(fù)荷(圖12)。

熱-機(jī)械負(fù)荷就是第一種與總成相關(guān)的負(fù)荷，被用來模擬電機(jī)空隙變形的情況。如前所述，電機(jī)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(huì)出現(xiàn)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(nèi)部的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致不均勻變形(徑向)，從而使定子出現(xiàn)雞蛋形變形，這就是圖15所示的車輪內(nèi)置電機(jī)的熱-機(jī)械現(xiàn)象。不均勻徑向變形的另一種空隙變化形態(tài)，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(yù)測在力和力矩作用下產(chǎn)生的變形，必須先確定軸承本身的剛度。

圖15 電機(jī)的熱-機(jī)械現(xiàn)象(在無環(huán)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(jù)軸承的尺寸來分析和計(jì)算軸承的剛性。圖16為Elaphe公司開發(fā)的確定軸承剛度的計(jì)算軟件頁面示例。為了獲得較高的計(jì)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(yàn)機(jī)上和斯洛伐尼亞Ljubljana大學(xué)的軸承偏轉(zhuǎn)測試臺(tái)上測定了軸承的剛度。

在得知了軸承的剛度后，就可以進(jìn)行道路負(fù)荷作用下的電機(jī)空隙變形分析。這一分析涉及的外部負(fù)荷為急轉(zhuǎn)彎或緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)負(fù)荷和因負(fù)荷快速變化(如輪胎與道路接觸時(shí)引起的顫振)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。這些負(fù)荷就是第2種與總成相關(guān)的負(fù)荷。為了充分了解在坑洼路面等粗糙道路上行駛時(shí)總成承受嚴(yán)酷外部負(fù)荷作用時(shí)的性能狀態(tài)，進(jìn)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(gè)電機(jī)總成連同懸架和底盤。

圖16 Elaphe公司開發(fā)的確定軸承剛度的計(jì)算軟件頁面示例

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

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

以上介紹的設(shè)計(jì)步驟、分析方法和程序是確定車輪內(nèi)置電機(jī)結(jié)構(gòu)完善性的基礎(chǔ)。為了證實(shí)計(jì)算結(jié)果，必須進(jìn)行實(shí)際使用壽命的驗(yàn)證試驗(yàn)，以確認(rèn)它們是否符合標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部的要求。圖19表明，由于不同的分析方法會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，因而用試驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果顯得十分重要。

圖18 在坑洼路面行駛時(shí)電機(jī)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(shí)電機(jī)空隙的變形情況(有限元法分析，測量值和多體動(dòng)力學(xué)分析之間的比較，G=9.81 m/s2)

4 試驗(yàn)與驗(yàn)證

通過試驗(yàn)對車輪內(nèi)置電機(jī)零件及總成的模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。大多數(shù)試驗(yàn)都是在施加各種機(jī)械負(fù)荷的情況下完成的。應(yīng)當(dāng)指出的是，所有確認(rèn)零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的試驗(yàn)都遵循汽車工業(yè)采用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程。

4.1 軸承剛度特性試驗(yàn)

軸承剛度可以采用有限元分析數(shù)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(shí)際結(jié)果還需要通過在軸承偏轉(zhuǎn)測試臺(tái)(圖20)上進(jìn)行的軸承偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)和在車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)來作進(jìn)一步的驗(yàn)證。如圖21所示，分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的差異在15%以內(nèi)。

圖20 Ljubljana大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的軸承偏轉(zhuǎn)測試臺(tái)

圖21 軸承偏轉(zhuǎn)測量值與計(jì)算結(jié)果的比較

4.2 機(jī)械沖擊試驗(yàn)

圖22 車輪內(nèi)置電機(jī)的沖擊試驗(yàn)裝置

機(jī)械沖擊試驗(yàn)按照ISO16750-3:2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。該試驗(yàn)由沖擊力為100 G的18次沖擊(每個(gè)軸線方向各6次)和沖擊力為50 G的60次沖擊(每個(gè)軸線方向各20次)組成。這兩種沖擊負(fù)荷的半正弦曲線持續(xù)時(shí)間均為6 ms。圖22所示為車輪內(nèi)置電機(jī)的沖擊試驗(yàn)裝置。

機(jī)械沖擊試驗(yàn)的故障模式包括轉(zhuǎn)子和定子相接觸、殼體出現(xiàn)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?yàn)榻嵌瓤s減會(huì)導(dǎo)致電機(jī)控制能力受損。通過對試驗(yàn)前后的角偏移量與傳感器標(biāo)定值的比較，就可以知道試驗(yàn)期間是否出現(xiàn)了這種故障模式。對于最佳的電機(jī)控制，表1所列的電力角數(shù)據(jù)應(yīng)該在±3°以內(nèi)。

表1 傳感器的角偏移測量值

4.3 耐隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

耐隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)也按照ISO16750-3:2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。這是在帶加熱裝置的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，加熱裝置安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的周圍，用以控制試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度。該試驗(yàn)采用的隨機(jī)疲勞信號(hào)如圖13所示。電機(jī)要在所有3個(gè)方向(圖3)經(jīng)受8 h隨機(jī)振動(dòng)的加速負(fù)荷試驗(yàn)，該隨機(jī)振動(dòng)會(huì)在20～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)形成平均值為10 G的激勵(lì)形態(tài)，峰值加速度可高達(dá)40 G。

圖23為軸線方向施加負(fù)荷的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)裝置，其中圖23(a)為試驗(yàn)前的情況，圖23(b)為試驗(yàn)過程中的情況。圖24所示為隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后的固有頻率檢測結(jié)果。諧振峰值幾乎都在相同的頻率出現(xiàn)，而振幅則由于振動(dòng)沖擊的確切強(qiáng)度不同而各不相同。如果在振動(dòng)調(diào)節(jié)過程中殼體出現(xiàn)裂紋，固有頻率的位置會(huì)在頻率范圍內(nèi)沿軸線方向發(fā)生變化。

圖23 在軸線方向施加負(fù)荷的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)裝置

圖24 試驗(yàn)前后車輪內(nèi)置電機(jī)軸線方向的固有頻率

4.4 軸承和車輪內(nèi)置電機(jī)零件的耐久性試驗(yàn)

試驗(yàn)開發(fā)的幾臺(tái)車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)能在80 s內(nèi)測定車輪相關(guān)零件相當(dāng)于在使用壽命期內(nèi)發(fā)生的故障情況。這些試驗(yàn)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(nèi)置電機(jī)零件的試驗(yàn)。這種車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)更適用于車輪內(nèi)置電機(jī)的耐久性試驗(yàn)。圖25所示為Elaphe公司的1種車輪內(nèi)置電機(jī)安裝在車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)上的情況。

圖25 M701型車輪內(nèi)置電機(jī)安裝在車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)上的情況

為了證實(shí)車輪內(nèi)置電機(jī)選用的軸承能否承受得住各種負(fù)荷的作用，在試驗(yàn)過程中施加了一系列轉(zhuǎn)向負(fù)荷和持續(xù)的徑向負(fù)荷。轉(zhuǎn)向負(fù)荷是根據(jù)試驗(yàn)的需要來確定的，以觀察電機(jī)的空隙中是否會(huì)在試驗(yàn)過程的任何時(shí)間出現(xiàn)接觸點(diǎn)，并確認(rèn)軸承是否能承受得住這種負(fù)荷。持續(xù)徑向負(fù)荷試驗(yàn)按照SAE J328/2016-03標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)的宗旨是規(guī)定乘用車和輕型卡車的車輪售后性能。對于車輪內(nèi)置電機(jī)來說，該標(biāo)準(zhǔn)也具有同樣的價(jià)值，因?yàn)槠洳粌H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(fù)荷增加了250%，因而加速壽命試驗(yàn)的時(shí)間減少到了約22 h。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)還增加了1次轉(zhuǎn)向負(fù)荷試驗(yàn)。

利用增設(shè)在徑向和軸向的2個(gè)測量電機(jī)空隙變形的傳感器，評定了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的剛度。該項(xiàng)測量在整個(gè)試驗(yàn)過程中連續(xù)進(jìn)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(jié)果顯示，試驗(yàn)前后的剛度差異不超過10%。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，為了對Ljubljana大學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析計(jì)算值進(jìn)行比較，在圖21中也添加了這些測量結(jié)果。

圖26 施加轉(zhuǎn)向負(fù)荷和持續(xù)徑向負(fù)荷時(shí)試驗(yàn)前后的彎曲剛度測量值

利用設(shè)置在輪轂上的2個(gè)熱電偶跟蹤了軸承的工作狀態(tài)。結(jié)果顯示，在進(jìn)行持續(xù)負(fù)荷試驗(yàn)期間，軸承的溫度始終保持不變，這表明軸承沒有發(fā)生任何損壞。試驗(yàn)過程中既沒有零件出現(xiàn)故障，也沒有發(fā)現(xiàn)電機(jī)空隙中有接觸點(diǎn)。試驗(yàn)證實(shí)，選用的軸承和設(shè)計(jì)及各零件的擴(kuò)展設(shè)計(jì)優(yōu)化過程是有效的。

5 結(jié)論

提出了1種車輪內(nèi)置電機(jī)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。詳細(xì)闡述了該電機(jī)承受的由猛烈駕駛、電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱、以及機(jī)械制動(dòng)操作和制造過程產(chǎn)生的各種內(nèi)部負(fù)荷和外部負(fù)荷。介紹了設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括負(fù)荷的識(shí)別以及確定和評估這些負(fù)荷的方法和策略、采用有限元法的結(jié)構(gòu)和疲勞分析、通過模擬確定軸承的剛度、電機(jī)空隙變形的評定、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，高達(dá)100 G的機(jī)械沖擊試驗(yàn)對電機(jī)的功能幾乎沒有什么影響，電機(jī)順利通過了隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，因此可以確認(rèn)，電機(jī)和零件的設(shè)計(jì)是有效的。

軸承的耐久試驗(yàn)表明，在車輪加速壽命試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，軸承在承受高達(dá)250%額定負(fù)荷的情況下有能力使電機(jī)保持足夠的空隙。除了軸承以外，整個(gè)車輪內(nèi)置電機(jī)總成也通過了這些試驗(yàn)。鑒于試驗(yàn)的目標(biāo)是要達(dá)到SAE J328/2016-03標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此得出一個(gè)重要結(jié)論是，現(xiàn)有的車輪標(biāo)準(zhǔn)可以引用為車輪內(nèi)置電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

車輪內(nèi)置電機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要制約因素是缺乏相關(guān)的參考文獻(xiàn)、法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)，車輪內(nèi)置電機(jī)結(jié)構(gòu)完善性的數(shù)值評定原則是有效的。擴(kuò)展設(shè)計(jì)優(yōu)化過程與加速壽命試驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐表明，可以將車輪的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引用為車輛內(nèi)置電機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。考慮到電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的要求正在發(fā)生快速變化，Elaphe公司將繼續(xù)致力于該領(lǐng)域基本技術(shù)要求的研究，努力開發(fā)可靠、耐用的車輪內(nèi)置電機(jī)。