電動車輛輪轂電機減振系統(tǒng)設計與分析

魏亞鵬，吳勝濤，馬　英，秦鵬鵬，李浩冉，張漢召

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

電動車輛輪轂電機減振系統(tǒng)設計與分析

魏亞鵬，吳勝濤，馬英，秦鵬鵬，李浩冉，張漢召

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

為消除輪轂電機造成電動汽車非簧載質(zhì)量增加而使車輛平順性和安全性降低的影響，根據(jù)質(zhì)量轉(zhuǎn)移的方法，在電動輪內(nèi)安裝彈簧阻尼減振系統(tǒng)將輪轂電機質(zhì)量變成吸振器，建立11自由度電動輪車輛整車動力學模型，并對模型進行仿真分析。結(jié)果表明，輪轂電機減振系統(tǒng)在滿足輪轂電機垂向跳動要求的基礎上，可以消除輪轂電機剛性與車輪連接給車輛帶來的垂向負效應問題。

輪轂電機；電動汽車；減振系統(tǒng)；設計分析

隨著電動客車的研究和發(fā)展，輪轂電機在客車上為實現(xiàn)車輛低地板化、大過道寬度等方面具有明顯優(yōu)勢。如2013年比利時車展上的依維柯就使用米其林的輪轂電機實現(xiàn)四軸驅(qū)動。輪轂電機驅(qū)動電動車能夠?qū)崿F(xiàn)車輛各輪獨立轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。目前輪轂驅(qū)動車輛控制系統(tǒng)的研究主要集中在純電動轎車的橫擺控制和牽引力控制，電動車輛橫擺穩(wěn)定性［1-3］通過控制驅(qū)動電機來控制電動汽車橫擺運動行為；牽引力控制系統(tǒng)［4-6］通過電機力矩控制車輪滑移率，保證車輪不打滑，而加速時確保能夠充分地控制車輛。輪轂電機驅(qū)動車輛有極好的動力學控制功能，便于扁平式車架設計和車身造型設計，空間利用率高［7］。為使輪轂電機在大中型客車上有更好的應用效果，本文對輪轂電機乘用車簧下系統(tǒng)存在的問題進行研究，為輪轂電機大中型客車的研發(fā)提供借鑒。

1　電動輪車輛11自由度動力學模型建立

為了研究以上問題的解決方案，先要建立電動輪車輛的動力系模型。7自由度車輛動力學模型是假定車身是一個剛體，當車輛在水平面做勻速直線行駛時，車身具有上下跳動、俯仰、側(cè)傾三個自由度［8-9］；四個與獨立懸架相連的車輪具有垂向運動的自由度。當每個輪轂電機在車輪內(nèi)用彈簧阻尼減振系統(tǒng)與車輪相連時，就要考慮增加4個輪轂電機垂向運動自由度，成為如圖1所示的11自由度電動輪車輛動力學模型。根據(jù)計算出的汽車懸掛的參數(shù)和生產(chǎn)廠家提供的懸架系統(tǒng)的剛度與阻尼系數(shù)以及輪胎的剛度與阻尼特性，建立動力學模型的微分方程。

2　輪轂電機減振系統(tǒng)優(yōu)化設計

為節(jié)能減排，一般國內(nèi)研究的純電動乘用車的整車整備質(zhì)量都在1 000 kg左右。為滿足整車動力性要求，每個車輪內(nèi)輪轂電機的重量達到了30～52 kg，如果輪轂電機在輪內(nèi)直接跟車輪剛性連接，將使簧下質(zhì)量顯著增加?；上沦|(zhì)量增加將使車身與車輪質(zhì)量比減?。?0-12］，使車輛平順性三個指標在高頻共振范圍內(nèi)性能均有下降，尤其是車輪動載荷變化較大。根據(jù)汽車理論［13］，車輪與地面間的動載方向是上、下交變的。當車輪動載與作用于路面的靜載大小相等、方向相反時，則車輪作用于路面的垂直載荷等于零。此時，車輪可能會跳離地面，失去縱向和側(cè)向附著力，車輛行駛安全性惡化。反之，若方向相同，則會加重對道路的破壞。為防止以上情況發(fā)生，就需要在應用輪轂電機驅(qū)動的同時降低車輪相對動載。

文獻［14］中提到，在輪轂電機與車輪之間增加彈簧和阻尼器來提高電動汽車舒適性，但只是定性地說明了其有效性，沒有提到如何設計彈簧阻尼系統(tǒng)。文獻［15］中，以非簧載質(zhì)量的垂向振動量最小為目標函數(shù)，優(yōu)化了動力減振機構(gòu)的彈簧剛度和阻尼參數(shù)，但沒有考慮車輪內(nèi)部空間允許電機相對輪輞垂向位移有限的實際因素。

為提高輪轂電機電動車的平順性和安全性，需要利用以上動力學模型對電動輪內(nèi)的輪轂電機減振系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

輪轂電機減振系統(tǒng)設計目標是：不僅消除因輪轂電機質(zhì)量因輪轂電機剛性與車輪相連對車輛平順性和操穩(wěn)性造成的不利影響，而且用正常轎車車輪內(nèi)部允許的空間限制輪轂電機與車輪垂向相對位移量使帶輪轂電機輪內(nèi)減振系統(tǒng)的車輛垂向性能最好。反映在物理量上就要減小車身垂向振動加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度，限制車身懸架動行程，避免車身懸架撞擊緩沖塊。在使得能量消耗盡可能小的基礎上減小輪轂電機與車輪垂向相對運動量，降低對車輪大小的要求。

1）目標函數(shù)。以平順性分析中的車身垂向振動加速度σx、俯仰角加速度σp、側(cè)傾角加速度σa、四個車身懸架動撓度σfd和四個車輪相對動載σFd/G五種參數(shù)均方根值之和最小為最優(yōu)化目標，目標函數(shù)為

2）優(yōu)化變量。選擇優(yōu)化變量為電機與車輪間減振器阻尼系數(shù)C m，電機與車輪間彈簧剛度K m。

3）約束條件。考慮到原車輪輞直徑只有431.8 mm，車輪內(nèi)還安裝有制動系統(tǒng)，所以輪轂電機與車輪的相對位移不能超過0.010 m：σx3-x1≤0.00 304 m。

根據(jù)11自由度整車動力學微分方程，利用Matlab優(yōu)化工具箱patternsearch函數(shù)對各輪轂電機減振系統(tǒng)剛度和阻尼系數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)果見表1。

表1　優(yōu)化得到的參數(shù)

3　仿真分析

以國標GB/T 4970-2009《汽車平順性實驗方法》［16］的要求為基礎，為驗證輪轂電機驅(qū)動轎車平順性，對C級路面上以70 km/h的車速勻速直線運動行駛時平順性進行仿真驗證［17-18］，參照未安裝輪轂電機的原樣車，對剛性安裝輪轂電機的車輛和安裝輪內(nèi)減振系統(tǒng)電動輪車輛進行對比驗證。

在圖2-圖6中，模型1表示不安裝輪轂電機的原樣車模型，模型2表示輪轂電機與車輪剛性連接的車輛模型，模型3表示有輪內(nèi)減振系統(tǒng)的電動輪汽車模型。可以看出，與不安裝輪轂電機的原樣車模型相比，輪轂電機直接安裝在車輪內(nèi)會使整車車身垂向加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度、車身懸架（車輛主懸架）動行程及車輪相對動載的功率譜密度曲線包圍的面積大幅增加，代表此模型各參數(shù)的均方根值增大。有輪轂電機減振系統(tǒng)的電動輪車輛模型的仿真曲線包圍的面積最小，證明該模型可以降低各參數(shù)的均方根值，可以提高整車動力學性能。

圖7是對比輪轂電機與車輪剛性安裝的車輛模型和有輪轂電機減振系統(tǒng)的電動輪車輛模型的加速度功率譜密度曲線。可以看出，有輪轂電機減振系統(tǒng)的電動輪車輛模型加速度功率譜密度曲線包圍的面積大大減小，從而其加速度均方根值也減小，使電機受到的垂向振動沖擊力降低，電機工作穩(wěn)定性提高，內(nèi)部軸承破壞程度降低。

從圖8中可以看出，輪轂電機減振系統(tǒng)可以保證輪轂電機與車輪相對垂向位移小于10 mm，滿足輪轂電機在車輛輪內(nèi)垂向運動空間的限制要求。

通過比較發(fā)現(xiàn)，與不安裝輪轂電機車輛模型相比較，輪轂電機直接與車輪剛性連接車輛模型各個參數(shù)均方根值都增加，其中車輪相對動載均方根值大于0.333 3。該路面輸入下，車輪跳離地面的概率為0.5%，行駛時間越長，失去縱向和側(cè)向附著力時間越長，行駛安全性惡化；而安裝輪轂電機輪內(nèi)減振系統(tǒng)以后，各項指標均明顯下降，車身垂向加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度和四個車輪動載均方根值均小于原車參數(shù)，對原車平順性和操穩(wěn)性有加強作用；各車身動行程雖稍有增加，但數(shù)值較小，不會影響到車身懸架撞擊限位塊的概率。對比輪轂電機垂向加速度可以發(fā)現(xiàn)，安裝輪內(nèi)減振系統(tǒng)后，輪轂電機受到的沖擊減小，可以使電機工作穩(wěn)定性提高，并減少對零件的破壞。

4　結(jié)論

1）以整車平順性為目標，輪輞對輪轂電機垂向相對位移量最大限定值為條件，根據(jù)動力學微分方程利用patternsearch函數(shù)優(yōu)化得到各車輪內(nèi)輪轂電機的減振系統(tǒng)剛度和阻尼參數(shù)，設計了輪轂電機減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2）通過仿真實驗表明，電動輪車輛輪轂電機減振系統(tǒng)在保證輪轂電機相對車輪的垂向位移在可實現(xiàn)的范圍的前提下，能有效地解決電動輪車輛的垂向負效應問題。

3）研究還發(fā)現(xiàn)，輪轂電機減振系統(tǒng)使輪轂電機本身所受的垂向力大大降低，提高了輪轂電機耐久性和工作可靠性，為電動輪汽車的應用推廣奠定了理論基礎。

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修改稿日期：2015-04-15

Design and Analysis on Vibration Reduction System in Electric Vehicles w ith Hub Motor

Wei Yapeng，Wu Shengtao，Ma Ying，Qin Pengpeng，Li Haoran，Zhang Hanzhao
（Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd，Zhenzhou 450061，China）

In order to eliminate the reduction effect ofvehicle ride comfort and safety of the hub motor electric vehicle caused by the under spring mass increased，according to the method of mass transfer，the authors mount the spring damping vibration system in the electric wheels to make the hub motor mass the vibration absorber，establish dynamics model of 11 freedom degree vehicle with hub motor，and simulate the model.The results show that the damping system of the hub motor on the basis of meeting the requirements of hub motor vertical jump can eliminate the negative vertical effect of the vehicle because of the hub motor rigidly connected to the wheel.

hub motor；electric vehicle；vibration reduction system；design and analysis

U469.72；U 463.6

B

1006-3331（2015）03-0033-04

魏亞鵬（1983-），男，工程師；動力設計主管。