小型纯电动汽车轮毂电机及大角度转向系统的数字化设计

摘要

随着新能源汽车向轻量化、智能化和高机动性方向发展，轮毂电机与大角度转向系统的结合成为提升小型纯电动汽车性能的关键技术。本文通过数字化设计方法，探讨轮毂电机驱动系统与四轮独立大角度转向的协同优化，提出一种基于多学科联合仿真的设计方案，为城市微循环车辆和狭窄场景应用提供技术参考。

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1. 引言

背景与需求

• 城市交通场景中，小型纯电动汽车需具备高机动性（最小转弯半径≤3m）、高能效（续航优化）及灵活的空间布局能力。

• 传统集中式驱动+机械转向系统存在传动损耗、转向角度受限（通常≤35°）等问题，难以满足未来智能出行需求。

• 轮毂电机（In-Wheel Motor）技术可简化传动结构，配合大角度转向系统（≥45°）实现四轮独立控制，显著提升车辆灵活性。

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2. 轮毂电机数字化设计

2.1 设计目标

• 功率密度：＞3.5kW/kg（针对城市工况）

• 散热能力：温升≤40℃（持续峰值功率工况）

• 轻量化：单电机总成质量≤18kg

2.2 关键技术实现

1. 拓扑优化与电磁仿真

   • 基于ANSYS Maxwell的永磁同步电机（PMSM）参数化建模，优化磁路设计以减少齿槽转矩（仿真结果显示转矩波动降低27%）。

   • 结合拓扑优化算法（如SIMP法）设计轻量化电机壳体，在保证结构强度的前提下减重15%。

2. 热管理数字孪生

   • 构建COMSOL多物理场耦合模型，模拟电机-制动器集成模块的散热路径，提出轴向-径向复合冷却方案（图1）。

   • 实验数据表明，集成液冷通道后，持续工作温度下降22%。

3. 控制策略协同开发

   • 基于MATLAB/Simulink开发扭矩分配算法，通过CAN总线实现四轮独立驱动与能量回收的动态协调。

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3. 大角度转向系统设计

3.1 机械结构创新

• 双十字节万向节+行星齿轮组设计，突破传统阿克曼转向几何限制，实现单轮最大转向角度55°。

• 采用线控转向（SBW）技术，取消机械连接，支持动态调整转向传动比。

3.2 数字化验证流程

1. 多体动力学仿真（ADAMS/Car）

   • 建立悬架-转向系统刚柔耦合模型，验证极端转向工况下的结构可靠性（图2）。

   • 仿真显示，转向拉杆应力峰值较传统结构降低31%。

2. 转向逻辑优化

   • 基于ROS搭建虚拟测试环境，开发自适应转向算法，支持以下模式：

     • 低速模式：后轮反向偏转，最小转弯半径2.8m

     • 高速模式：后轮同向微调，提升稳定性

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4. 系统集成与协同控制

4.1 机电耦合问题解决

• 簧下质量增加：通过电机转子空心化设计（碳纤维复合材料）与悬架K&C特性优化，将簧下质量增幅控制在8%以内。

• 扭矩波动抑制：设计电机-减速器-轮毂的一体化阻尼结构，结合前馈-反馈复合控制策略，车内振动降低至0.6m/s²（ISO 2631标准）。

4.2 数字孪生测试平台

• 搭建基于dSPACE的硬件在环（HIL）系统，验证以下场景：

  • 紧急避障：四轮差速驱动+转向协同响应时间＜120ms

  • 狭窄空间泊车：通过五次多项式路径规划算法，实现4.5m×1.8m车位一次入库

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5. 实验验证与展望

• 样车测试数据显示：

  • 综合能效提升19%（NEDC工况）

  • 最小转弯半径较传统车型减少42%

• 未来方向：

  • 结合5G-V2X实现群体协同转向

  • 开发基于深度强化学习的自适应控制策略

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结语

通过数字化设计手段，轮毂电机与大角度转向系统的深度融合为小型纯电动汽车提供了颠覆性的技术解决方案。未来需进一步解决成本控制与大规模生产一致性难题，推动该技术从原型阶段走向商业化应用。