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汽车轮毂造型设计与结构分析李蒙

发表时间：2020/5/21 来源：《基层建设》2020年第3期作者：李蒙姚美琪

[导读] 摘要：立足当下中国汽车制造业的实际问题，研究中国传统文化，归纳轮毂造型设计要素及其方法，从轮毂造型的基本特征入手，运用设计美学，对汽车轮毂进行再设计。

        长城汽车股份有限公司保定技术研发分公司河北保定 071000
        摘要：立足当下中国汽车制造业的实际问题，研究中国传统文化，归纳轮毂造型设计要素及其方法，从轮毂造型的基本特征入手，运用设计美学，对汽车轮毂进行再设计。利用UG软件建立汽车轮毂模型，并完成轮毂径向及弯曲疲劳试验的有限元仿真。结合铝合金的材料特性，通过UG的结构分析模块研究径向载荷和试验弯矩对车轮结构强度的影响及车轮结构的应力应变分布规律，找出应力集中区域，验证所设计的轮毂结构的安全性。改变以往造型与结构独立完成的设计模式，以期设计出造型与结构一体化的具有中国特色的汽车轮毂，为设计师提供借鉴。
        关键词：轮毂造型；中国传统文化；uG；径向及弯曲疲劳试验仿真；有限元
        轮毂作为汽车行驶系统中的重要部件，起着承载、转向、驱动和制动等作用，其性能的好坏直接影响汽车行驶安全性、操纵的稳定性、乘坐的舒适性等[1]。随着私人购车市场的膨胀及对个性化的追求，越来越多的中国消费者开始注重选择轮毂的款式，因此，集款式多样、美观大方、安全舒适等诸多特点于一身的铝合金轮毂正成为汽车轮毂最主要的发展方向。国际上对于车轮造型的设计已趋于成熟，每个国家在设计过程中都融入了自己的民族文化特色。这也是西方国家在激烈的市场竞争中保持不败的一大筹码。而我国在这一领域仍沿袭着传统的设计模式，造型设计与结构分析脱节，造型设计师与结构分析师之间缺乏沟通，导致所设计的产品不仅设计周期长，难以实现优化，同时设计出的轮毂造型缺乏特色，具有中国特色的轮毂设计几乎没有，即使是国产汽车也大多延用国外的造型。
        1轮毂造型与结构一体化方法构思
        造型设计需要突出产品的创意，更注重的是外观形貌，感官视觉效果，属于外在设计。结构轻量化设计是在实现其功能并保证产品的安全性（满足强度要求）的前提下，改变外观造型，使其质量最轻，属于内在设计。为突出某些细节，外观造型设计难免会有小的圆角或圆孔出现，包括一些有特殊要求的线条需要保证，不可随意增减材料。但从强度角度出发，又不希望出现较高的应力集中，或希望在强度薄弱部位增加一些材料。因此解决两者问的矛盾需要以虚拟环境为媒介，运用计算机软件在造型设计与结构分析间进行调整，以达到两者的最优，这不仅能够缩短设计周期，同时也降低了企业的开发成本。
        2电机技术与驱动方式
        2.1电机技术
        汽车的驱动电机区别于一般的工业电机，具有调速范围广、后备功率高、工作效率高、启动转矩大等特点。除此之外，汽车的驱动电机还要求其可靠性高、成本低、结构以及维护简单、耐高温、耐潮湿并且适合大规模的生产。对于汽车电机来说，目前有三种形式，分别为永磁同步电动机、异步电动机、开关磁阻电动机。其中，永磁电机相对而言功率大、工作效率高、便于维护，成为了汽车制造的主流技术。随着新能源汽车的出现，永磁电机将会迎来高效的发展，逐渐趋近于高效率、高性能、高功率、高性价比的形式。除此之外，新能源汽车的驱动电机也逐渐趋向于数字化、集成化与永磁化。
        2.2驱动方式
        目前，电机的驱动方式有两种，分别为集中电机与轮毂电机。集中电机驱动的原理是以内燃机为基础，但是以集中电机代替了内燃机，和变速系统、转动系统相连接。以集中电机进行驱动的汽车的最大程度的保留了原本的车型，仅对动力系统进行了更换，从而将传统的内燃机汽车改造成电动汽车，实现了汽车能源的清洁化，保证了环境的质量问题。轮毂电机驱动的原理就是在车轮的轮毂内安装电机，将传输转矩直接传输到车轮，从而提高了车体的利用率。轮毂电机主要采用永磁材料，以此来保证汽车的运行效率。
        3轮毂电机的驱动方式
        一般来说，轮毂电机的驱动方式分为两种，分别为减速式轮毂电机以及直接驱动式轮毂电机。减速式輪毂电机采用内转子的结构，汽车的动力输出相对稳定。

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通过行星齿轮或磁齿轮这两种减速机构可以实现轮毂电机在高速旋转的状态下进行减速操作。除此之外，减速式轮毂电机成本低、运行效率高、尺寸与质量也相对较小。但是由于齿轮在电机工作过程中易受到磨损，因此会导致其寿命低、以发生故障，其发生故障时维修费用相对较高。另外，减速式轮毂电机的散热性能较差，产生的噪音相对较大。直接驱动式轮毂电机采用外转子结构，其动态响应迅速，工作效率高。与减速式轮毂电机相比其具有较强的优势，直接驱动式轮毂电机使用时间较长、不易发生故障，如果发生故障其维修费用也相对较低。但是，这种轮毂电机尺寸与质量相对较大，成本也相对较高。
        4轮毂电机技术特点
        4.1直流电机
        对于直流电机而言，其控制技术相对成熟。通常情况下，直流电机都是通过电枢控制以及弱磁控制来实现对转速的控制。在恒转矩区利用电枢控制实现转矩的平稳，在恒功率区则采用弱磁控制达到转速较高的状态。但是，直流电机在进行机械换向时通常通过电刷来进行，由此导致了电刷磨损速度相对较快，维护成本较高。除此之外，在进行机械换向时会产生火花，导致了电机的运行速度受到限制，且电机体积大、制造成本高。因此，一般来说轮毂电机不采用直流电机。
        4.2异步电机
        对于异步电机而言，其优势十分明显。异步电机结构简单、成本较低、运行稳定、噪音低、转速高。但是异步电机也同样存在着一些问题，例如异步电机的调速性能相对较差，电机的效率较低，并且异步电机运行的电路较为复杂等，种种原因导致轮毂电机一般也不会采用异步电机进行工作。
        4.3永磁同步电机
        永磁同步电机利用电子换向器代替了直流电机中的机械换向器，成功的解决的电刷磨损的问题。同时，永磁同步电机根据转子永磁体的安装方式分为表面式与内置式，前者多用于低速电机，后者则用于高速电机上。永磁电机的优势在于其控制精度高、功率密度大、转动惯量小且噪音低。除此之外，实现了弱磁调速，恒功率运行范围扩大，是轮毂电机的首选电机。
        4.4开关磁阻电机
        开关磁阻电机也可以作为轮毂电机。对于其结构只在定子上装有集中励磁绕组，在交流电的作用下实现开关模式。开关磁阻电机功效高、功率密度大、结构简单，并且其控制相对容易，调速范围广。但是电机在开关模式下工作，由于电流波动较大致使噪声的产生，同样用于电流的波动，为了保证其正常工作需要安装电流检测器。
        5结语
        随着科学技术的不断发展，新能源汽车是未来汽车行业发展的趋势。对于新能源汽车的驱动方式而言，轮毂电机驱动成为了主流的驱动方式。轮毂电机驱动的优势相对明显，其机械传动系统更为简单，控制相对灵活。因此，只有不断提升轮毂电机技术才能够有效的提升新能源汽车行业的发展，从而推动人类文明的进步。
        参考文献：
        1李宏禹．汽车轮毂造型与结构设计一体化方法研究[D]．秦皇岛：燕山大学，2010．
        2王丕璋．浅谈各国汽车造型设计与其民族文化关系[J]．科技咨询导报，2007（9）：195．
        3孙利．汽车轮毂造型本土化设计方法[J]．包装工程，2008（12）：201—203．
        4王沈策，吴寒，孙宽．汽车设计中文化意象要素的研究与应用[J]．美与时代（上半月），2009（11）：68—69．
        5张卡德，张致建，郝艳华，等．汽车车轮轮辐疲劳裂纹位置预估[J]．华侨大学学报：自然科学版，2009（11）：611—613．