張輝，胡燁，江子和，陳喜庭

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

輪轂電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)

張輝，胡燁，江子和，陳喜庭

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

針對電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的問題，設(shè)計(jì)一款用于低轉(zhuǎn)速的輪轂電機(jī)檢測試驗(yàn)臺(tái)。對試驗(yàn)臺(tái)主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在SolidWorks環(huán)境下建立試驗(yàn)臺(tái)三維模型，其次利用ADAMS軟件進(jìn)行模塊仿真分析。分析結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案是可行和合理的，也為輪轂電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

試驗(yàn)臺(tái)；輪轂電機(jī)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；SolidWorks；ADAMS

0 引言

隨著新能源汽車不斷地發(fā)展，電動(dòng)汽車以其低排放、清潔能源利用、高效等優(yōu)勢，目前備受人們的關(guān)注。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件之一，其性能和可靠性對研究整車系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著極大的意義。通過開發(fā)電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，能夠有效地檢測輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，加快電動(dòng)汽車的發(fā)展，保證電動(dòng)汽車的安全性能以及提高電動(dòng)汽車的研發(fā)效率[1-3]。因此，作者對輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，滿足對低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行檢測的要求。

1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，需要結(jié)合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，被測試電機(jī)外形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選定并設(shè)計(jì)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的安裝接口，還要保證所設(shè)計(jì)的接口與同類型的輪轂電機(jī)具有一定的通用性[4-6]。此外還需匹配標(biāo)準(zhǔn)件之間的連接，對試驗(yàn)臺(tái)體進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)體的設(shè)計(jì)需遵循以下原則[7]：(1)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架重心要低，臺(tái)架材料有足夠的剛度和強(qiáng)度；(2)臺(tái)架外圍需要設(shè)計(jì)安全保護(hù)裝置，控制風(fēng)險(xiǎn)；(3)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)部分需滿足平穩(wěn)、可靠要求；(4)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架易于拆裝。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在SolidWorks軟件下完成，此軟件具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)，受到廣泛使用[8]。

輪轂電機(jī)的安裝接口需滿足對同類型的電機(jī)具有一定的通用性，且便于在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行裝夾[9]。因此文中所設(shè)計(jì)的接口采用三爪卡盤和滾珠絲桿螺母副配合使用的方法，三爪卡盤能夠?qū)χ睆讲煌妮嗇炿姍C(jī)軸進(jìn)行牢固裝夾，由于三爪卡盤的結(jié)構(gòu)具有一定的自定心功能，且具有良好的同軸度調(diào)節(jié)特點(diǎn)，因此該設(shè)計(jì)方案符合電機(jī)安裝的原則。圖1為設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)。

圖1 三爪卡盤夾緊機(jī)構(gòu)

輪轂電機(jī)與聯(lián)軸器之間空間較小，法蘭盤需在兩者之間安裝，因此在試驗(yàn)的時(shí)候需要有額外空間來安裝。輪轂電機(jī)夾緊在試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)時(shí)，由于沒有軸向受力，因此作者使用絲桿螺母副來移動(dòng)輪轂電機(jī)與傳動(dòng)部分。圖2為試驗(yàn)臺(tái)裝夾結(jié)構(gòu)。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)裝夾結(jié)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)裝置之間采用螺栓連接的方式，手輪帶動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)而拖動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌面上移動(dòng)，增大三爪卡盤和聯(lián)軸器之間的距離，方便電機(jī)的裝夾和法蘭盤的安裝。圖3為傳動(dòng)與裝夾機(jī)構(gòu)。

圖3 傳動(dòng)與裝夾機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)臺(tái)體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)底板及其支架采用的材料是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，此材料的屈服值在235 MPa左右[10]。當(dāng)此材料板厚不大于16 mm，有較好的綜合性能。由于其焊接、塑性和強(qiáng)度等性能有較好的配合，廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)臺(tái)的底板上。

試驗(yàn)臺(tái)主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件扭矩傳感器和磁粉制動(dòng)器的高度來設(shè)計(jì)，需遵循高同軸度的設(shè)計(jì)原則。其傳動(dòng)部件主要是輪轂電機(jī)，中間通過軸傳遞到扭矩轉(zhuǎn)速傳感器上，加載裝置通過磁粉制動(dòng)器來添加，以此完成試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)。

由于輪轂電機(jī)與傳感器的聯(lián)軸器之間采用法蘭盤連接傳動(dòng)的方式，法蘭盤的一側(cè)通過螺栓連接，導(dǎo)致電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)。為了避免這種振動(dòng)影響到扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的精度，在設(shè)計(jì)過程中，需要在兩者之間添加軸承座，用于緩解輪轂電機(jī)因沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)，增強(qiáng)其平順性，保障設(shè)計(jì)方案的可靠性。圖4為軸承座。

圖4 軸承座

在聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時(shí)，因其容易纏繞絲狀物體，產(chǎn)生安全隱患。為了提高試驗(yàn)臺(tái)的安全性能，降低工作人員工作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，在旋轉(zhuǎn)件聯(lián)軸器上設(shè)計(jì)了安全防護(hù)罩，保障了試驗(yàn)人員的安全。圖5為試驗(yàn)臺(tái)框架圖。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)總體框架

3 仿真分析

根據(jù)分析可知，該試驗(yàn)臺(tái)對輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同軸度有較高的精度要求。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，直觀分析試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)參數(shù)，保證轉(zhuǎn)速扭矩傳感器的測試的精度，滿足試驗(yàn)臺(tái)使用壽命的要求，采用ADAMS進(jìn)行仿真分析[11-12]。使用用戶界面模塊ADAMS/View、求解器模塊ADAMS/Solver、后處理模塊ADAMS/PostProcessor等對試驗(yàn)臺(tái)的軸向跳動(dòng)進(jìn)行模擬仿真。在ADAMS/View模塊中搭建仿真平臺(tái)，給定與實(shí)際匹配的約束條件，仿真平臺(tái)如圖6所示。

圖6 ADAMS仿真平臺(tái)搭建

檢測試驗(yàn)臺(tái)的同軸性，需要添加電機(jī)的啟動(dòng)特性和電機(jī)的振動(dòng)沖擊，進(jìn)而完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析。根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)特性給定轉(zhuǎn)速，給定電機(jī)一個(gè)振動(dòng)沖擊，用STEP函數(shù)給出電機(jī)10 s內(nèi)的驅(qū)動(dòng)方程：STEP(time,0,0d,1,2 520)+STEP(time,8, 0d,10,-2 520)。經(jīng)過ADAMS的三次多項(xiàng)式逼近階躍函數(shù)的方法轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)函數(shù)，其驅(qū)動(dòng)曲線如圖7所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲線

給定傳動(dòng)的約束條件后，添加重力方向和大小(其中g(shù)取9.8 m/s2)。通過ADAMS求解器模塊ADAMS/Solver求解，完成求解后進(jìn)入后處理模塊ADAMS/PostProcessor中對求解的模塊進(jìn)行分析，分析結(jié)果如8所示。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)同軸度分析

由仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)在模擬電機(jī)沖擊和振動(dòng)的情況下，當(dāng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其軸的徑向波動(dòng)在±0.01 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求(0.02 mm以內(nèi))。由于軸承座中軸承的游隙有0.03 mm的緩沖空間，同時(shí)軸承支架具備承受徑向載荷沖擊波動(dòng)的能力，因此該設(shè)計(jì)方案滿足且符合試驗(yàn)臺(tái)使用要求。

4 結(jié)論

對電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行分析，通過SolidWorks三維軟件完成試驗(yàn)臺(tái)零部件的設(shè)計(jì)，通過ADAMS軟件完成試驗(yàn)臺(tái)的仿真分析。結(jié)果表明：輪轂電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足電機(jī)檢測性能的要求，也為后續(xù)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有意義的參考。

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DevelopmentoftheWheelHubMotorTestBench

ZHANG Hui, HU Ye, JIANG Zihe, CHEN Xiting

(College of Engineering, Zhejiang A & F University,Lin’an Zhejiang 311300, China)

In view of the problem that motor test bench was used to test wheel motor drive system performance, a wheel hub motor testing test bench used for low speed was designed. The major parts of the test bench were designed. The 3D model of the test bench was established in SolidWorks environment, then ADAMS software was used to make simulation analysis. The analysis results show that the design scheme is feasible and rational.It provides reference for the design and optimization of wheel hub motor test bench.

Test bench; Wheel hub motor; Drive system; SolidWorks; ADAMS

2017-03-31

張輝(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v試驗(yàn)技術(shù)、電機(jī)檢測技術(shù)等。E-mail：zhanghui03@foxmail.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.010

U467.5+26

A

1674-1986(2017)08-046-03