转向节式轮毂电机壳体的结构优化与设计

沈红丹　吴婉晴　高艺肖　徐静　黎昌瑞

摘 要：轮毂电机因其具有传动结构简单，传动效率高等特点广泛应用于新能源汽车中。针对轮毂电机簧下质量增加的难题，开展了对轮毂电机壳体轻量化设计的研究。本文通过对传统轮毂电机与转向节进行受力分析，以一种新的壳体集成方式去解决在有限的轮内空间内增加轮毂电机的尺寸，并在此基础上通过Hypermesh仿真软件对模型进行轻量化设计，优化了壳体的应力分布、消除了部分结构的应力集中现象、整体质量减轻49.29%，优化效果明显。

关键词：结构设计 拓扑结构优化 轮毂电机 轻量化 有限元分析

1 引言

轮毂电机为整车驱动系统核心部件，具有结构紧凑、传动效率高、整车布置灵活和驱动控制独立等优点。这些特点在汽车上的应用，使得未来新能源汽车在驱动方面又有了一个新的发展方向。然而这项技术现阶段仍面临着一些亟待解决的问题，比如轮内空间对于电机尺寸的限制、簧下质量增加[1]对车辆性能造成的不利影响等。因此，开展轮毂电机壳体结构的集成化设计以及轻量化研究具有重要意义。

现已有众多研究者对轮毂电机进行了轻量化研究。比如Y. Honkura等[2]使用了材料减重的方法，将轮毂电机原有的定子磁铁材料替换为稀土永磁材料钕铁硼，使得电机减重50%。Lidija B等[3]将遗传算法与拓扑优化相结合，对永磁同步电机进行设计，减少磁钢的用量以达到减重的目的。程重力等[4]提出了电机壳体与车轮通过悬架系统相连的新型轮内动力吸振悬架构型，并对系统分析优化、提升了车辆稳定性。雷磊[5]将电机定子支撑架和转向节的复合材料进行多目标优化，最后在满足要求的情况下减轻了支撑架的重量。翟洪飞等[6]以质量优化为目标，对壳体结构非承载区域进行拓扑优化与结构设计，使壳体结构系统质量降低5.5%。辛雨等[7]以转向节进行拓扑优化分析，并参考拓扑优化分析结果对转向节进行降重优化，优化方案比原方案重量降低11.05%。

以上研究主要是在轮毂电机材料和设计方面进行轻量化设计，而对轮毂电机壳体结构的集成化设计以及轻量化研究较少，本研究首先建立了轮毂电机壳体模型，并对模型进行静应力分析和模态分析，然后通过拓扑优化对其进行轻量化设计。

2 结构设计及相关参数

转向节式轮毂电机外壳是将传统轮毂电机外壳与转向节结合设计而成，是集成化后的产物。参考某汽车公司K系列纯电动客车的轮毂电机结构进行初步建模，如图1所示为转向节式轮毂电机壳体的初步建模。

根据车辆参数226/60R18轮胎，轮胎滚动半径为592.19mm大致可以确定轮毂电机选型，这里选用Protean公司生产的PD-18型永磁同步电机，悬架为麦弗逊式独立悬架。轮毂电机详细参数见表1所示。

对于轮毂电机壳体的选材选用ZL101铝合金材料，它具有良好的力学性能，可铸造性强、热裂倾向好以及机械加工性能优越。如表2所示为ZL101铝合金的材料属性。

3 初始模型前处理

3.1 模型网格划分

转向节式轮毂电机壳体不同于传统结构形式。虽然大部分壳体依旧为回转体，但存在部分凸臂，不便于直接二维划分。这里可以选择2mm为单位网格尺寸，2D网格面为三角形、3D网格面为四边形进行划分。划分完成之后可在tool中进行网格质量检查，并对不合格单元进行手动修改。图2所示即为网格划分后的模型。

3.2 結构分析及约束载荷

根据公式（1）可计算得出电机外壳连接悬架的上臂所受到的整车质量为569.648kg、受到的重力静载荷为5582.6N。

G1=（μG/2-Gm）×g （1）

式中G为汽车满载时的重力载荷；μ为汽车前轴所占整车的质量比；Gm为单个车轮的簧下载荷。

车辆启动时，电机的转矩最大，此时转子转动产生的转矩作用到壳体上，壳体受到转矩可见式（2）。由公式（2）可计算得到车辆启动时转向节式轮毂电机壳体所受到转矩为2750N·m。

Ts=Ks×Tm （2）

式中Ks为动载系数，它的值可以参考集中式动力总成数值为2.2；Tm为轮毂电机输出的峰值转矩。

约束：在连接件上对螺孔进行全约束。壳体上的悬架减振器连接部位约束了沿X轴和Z轴的平动和转动。壳体转向拉杆连接处约束了沿Y轴方向的平动和沿XZ轴方向的转动。壳体上的悬架摆臂约束沿XZ轴的平动。

载荷：沿壳体悬架减振器螺栓孔向下的力以及壳体内部电机驱动或者加速时产生的转矩。

4 初始模型有限元分析

4.1 静力学分析

壳体在车辆满载启动工况下的变形图和应力云图。由该工况下的轮毂电机壳体变形量图可知，壳体大变形区域主要集中在与悬架连接的上凸臂，最大变形量为0.0287mm，连接件处无太大的变形，整体形变量较小。在此工况下应力集中在几处凸臂与壳体连接部位和各凸臂装配孔处，结构最大应力为36.36MPa，小于材料的屈服应力。其余壳体部分应力大多在8.085MPa之下，有很大的材料去除空间。

4.2 模态分析

通过软件分析可得壳体的前6阶模态振型和频率，如图3。第一阶模态振动部位主要在转向拉杆和壳体、发生绕Y轴的转动；第二阶部位主要在右端盖、发生沿着Z轴的平动；第三阶主要发生在右端盖和壳体、发生沿着Z轴的平动以及沿Y轴的平动；第四阶主要是两端盖的平动和壳体沿Y轴的转动；第五阶是左端盖沿着X轴的平动，形变量较大；第六阶振动部位主要发生在与连接件相接的外围部分，输出轴端盖部分变形量较小。

如表3所示为壳体六阶模态的频率响应值：

壳体受到来自电机的激励频率可由以下公式（3）计算：

f=n×p/60 （3）

式中为轮毂电机转速，为电机的极对数。

根据选用的轮毂电机参数可知电机转速最高可达到1600r/min、取为2带入公式（3）计算可得电机激励频率为53.3HZ，考虑到电机可能会发生高频振动的情况。为使结果符合实际，可取五倍的激励频率，即266.5HZ。计算结果小于转向节式轮毂电机壳体的一阶固有频率。

5 模型拓扑优化

5.1 拓扑优化模型重构

为避免优化结果不明显或者优化过度导致的模型错误，必须要对优化目标施加约束。常见的结构优化约束有质量、体积、变形等。这里可以约束壳体的体积最小，即所用材料最少、质量最小。在响应responses卡片下方的dconstraints中添加约束体积，上限设置为优化结果保留原体积的20%。最大或最小成员尺寸是指优化过程中网格单元密度为1所能允许的最大或最小尺寸。一般最小成员尺寸要大于3倍的单元网格平均尺寸。经过多次的参数调整对比，最终选用小成员尺寸为5。一般最大成员尺寸要大于2倍的最小成员尺寸，这里最大成员尺寸定义为18。

根据拓扑优化的结果即可进行轮毂电机壳体的模型重建。重建模型如图4。

5.2 重构模型静力学分析

对重建模型进行静力学和模态分析。如图5为壳体结构优化后的变形和vonMises应力云图。优化后的结构在该工况下的最大应力为48.62MPa，大于优化前的36.36MPa。结构最大应力有所提升，但依旧小于材料的屈服应力。壳体在减材后的静力学分析结果满足优化条件。

5.3 重构模型模态分析

图6为转向节式轮毂电机壳体结构的六阶模态振型。

模态分析结果显示一阶固有频率为618.03HZ，与优化之前的模型频率相比稍微有点下降，但是壳体固有频率依旧小于结构所受的最大激励频率，可以保证壳体的可靠性。轮毂电机壳体质量11.42Kg降到5.79Kg，减重49.29%。

5.4 强度校核

优化后轮毂电机壳体质量11.42Kg降到5.79Kg，减重49.29%。表4为优化前后的数值对比。图7为优化前后六阶频率的对比。电机壳体依旧存在少部分的应力集中现象，后续依旧需要对其进行形状和尺寸的控制优化。

6 结语

本文通过SolidWorks软件构建轮毂电机的壳体模型，结合Hypermesh分析软件，对初模型进行拓扑优化。具体结论如下：

（1）优化后的结构在该工况下的最大应力为48.62MPa，大于优化前的36.36MPa，结构最大应力有所提升，但依旧小于材料的屈服应力。（2）一阶固有频率为618.03HZ，与优化之前的模型频率781.61HZ相比略有下降，但依旧大于激励频率。（3）轮毂电机壳体质量11.42Kg降到5.79Kg，减重49.29%，轻量化效果明显。

教育部产学合作协同育人项目（No.220804422313802）基于快速控制原型的动力电池管控课程改革。

教育部供需对接就业育人项目：智能网联新能源汽车应用型人才联合培養，编号为20230102913。

参考文献：

[1]Tan Di，Wu Yanshou，Feng Jie，Yang Kun，Jia Xijie，Ma Chao. Lightweight design of the in-wheel motor considering the coupled electromagnetic-thermal effect[J]. Mechanics Based Design of Structures and Machines，2020，50（3）.

[2]Y.Hayashi，H．Mitarai，Y．Honkura．Development of a DC Brush Motor with 50% Weight and Volume Reduction Using an Nd-Fe-B Anisotropic Bonded Magnet[J]．IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，BOSTON，MASSACHUSETTS，2003．9，39（5）．

[3]Goga V．Cvetkovski，Lidija B．Petkovska．Weight Reduction of Permanent Magnet DiscMotor for Electric Vehicle Using Genetic Algorithm Optimal Design Procedure[C]．IEEE EUROCON 2009，St.-Petersburg，Russia，2009．5．

[4]程重力．轮毂电机引起的垂向动力学及其解决方案研究[D]．北京理工大学，2018．

[5]雷磊．电动汽车轮毂电机定子支撑架及转向节拓扑优化设计[D]．北京理工大学，2016．

[6]翟洪飞，侯俊剑，房占鹏，王艳，姚雷.基于拓扑优化的轮毂电机壳体结构轻量化研究[J].机械设计，2022，39（1）：105-110.

[7]辛雨，刘杰，邹广才，张建，原诚寅.驱动载荷轮毂电机转向节轻量化设计[J].北京汽车，2020（4）：9-12.