輪轂電機(jī)對(duì)汽車(chē)瞬態(tài)操穩(wěn)特性的影響

徐剛　龐赟　周毅　周鋐

摘要： 基于某A級(jí)車(chē)各總成性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用CarSim建模仿真，并結(jié)合整車(chē)操作穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性.依據(jù)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)方案，對(duì)加裝輪轂電機(jī)后的汽車(chē)進(jìn)行仿真，分別從開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的角度評(píng)價(jià)輪轂電機(jī)對(duì)汽車(chē)瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明：加裝輪轂電機(jī)后，汽車(chē)瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅度減弱，響應(yīng)變遲緩，軌跡跟蹤性降低，駕駛負(fù)擔(dān)增加.

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)； 操縱穩(wěn)定性； 輪轂電機(jī)； 參數(shù)化建模； CarSim

中圖分類(lèi)號(hào)： U461.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： Based on the assembly performance test data of an A-class vehicle， the whole vehicle model is built and simulated by CarSim， and the accuracy of the model is verified combining with the handling behavior test results. According to the hub motor design scheme， the vehicle installed with hub motor is simulated， and the effect of hub motor on vehicle transient handling behavior is analyzed by open-loop and closed-loop evaluations. The simulation results show that， after the vehicle is installed with hub motor， the transient dynamical response is weakened， the response is delayed， the tracking ability is decreased， and the driving burden increases.

Key words： automobile； handling behavior； hub motor； parameterized modeling； CarSim

0引言

近幾年，新能源車(chē)得到迅猛發(fā)展，各大汽車(chē)廠(chǎng)家也都嘗試采用輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，如：日本三菱公司通過(guò)在后輪安裝2部20 kW的輪轂電機(jī)，推出Colt EV型電驅(qū)車(chē)；沃爾沃汽車(chē)公司在其C30車(chē)型的基礎(chǔ)上，采用英國(guó)PML公司的輪轂電機(jī)，推出C30增程式電動(dòng)車(chē)[1]；德國(guó)寶馬公司也為其Mini Copper車(chē)加裝PML公司的輪轂電機(jī)[2]；國(guó)內(nèi)的奇瑞公司通過(guò)在后輪加裝2部30 kW的輪轂電機(jī)，推出瑞麟X1.EV.

然而，輪轂電機(jī)的安裝會(huì)增加非簧載質(zhì)量，對(duì)汽車(chē)行駛動(dòng)力性、安全舒適性、操縱穩(wěn)定性提出更高要求.日本豐田公司通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低輪轂電機(jī)對(duì)非簧載質(zhì)量的影響，并通過(guò)控制手段增強(qiáng)車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性、乘坐舒適性、轉(zhuǎn)向操控性等.[3]英國(guó)Protean Electric公司委托英國(guó)Lotus公司完成非簧載質(zhì)量的改變對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響的研究.[4]奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)通過(guò)仿真分析不同類(lèi)型輪轂電機(jī)對(duì)汽車(chē)舒適性和行車(chē)安全性的影響.[5]國(guó)內(nèi)，為研究輪轂電機(jī)對(duì)汽車(chē)垂向性能的影響，同濟(jì)大學(xué)相繼研制出“春暉”系列車(chē)型[6-7]；吉林大學(xué)依托奇瑞的瑞麟，探索非簧載質(zhì)量對(duì)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的影響[1].

本文以某A級(jí)車(chē)各總成（懸架、轉(zhuǎn)向系、輪胎等）性能試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用動(dòng)力學(xué)軟件CarSim建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)典型操穩(wěn)工況進(jìn)行仿真，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證該動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確性后，依據(jù)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)方案，改變車(chē)輛質(zhì)量和慣量參數(shù)，對(duì)加裝輪轂電機(jī)后的汽車(chē)進(jìn)行瞬態(tài)工況仿真，并分別從開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的角度對(duì)加裝輪轂電機(jī)后的汽車(chē)瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性能的變化進(jìn)行評(píng)價(jià).

1參數(shù)化整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型建立

基于某A級(jí)車(chē)懸架總成K&C特性（運(yùn)動(dòng)學(xué)、彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性）測(cè)試值，輪胎動(dòng)態(tài)性能（側(cè)偏、外傾特性）測(cè)試值，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能（轉(zhuǎn)向幾何、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向干摩擦、轉(zhuǎn)向助力）測(cè)試值，以及外飾尺寸測(cè)量值和整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量值，在車(chē)輛動(dòng)力學(xué)軟件CarSim中進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力學(xué)建模，對(duì)典型操穩(wěn)工況進(jìn)行仿真，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)值[8-9]比較.

圖1和2為依據(jù)文獻(xiàn)[10]方向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，按車(chē)速約100 km/h，在方向盤(pán)峰值轉(zhuǎn)角25°輸入下，側(cè)向加速度與橫擺角速度時(shí)域曲線(xiàn)試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比.圖3和4為車(chē)速約100 km/h，依照文獻(xiàn)[10]方向盤(pán)中間位置試驗(yàn)，方向盤(pán)力矩梯度特性曲線(xiàn)試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比.在圖2中，試驗(yàn)與仿真曲線(xiàn)在階躍峰值點(diǎn)幅值基本一致，無(wú)相位偏差；響應(yīng)穩(wěn)定后，兩者誤差在10%以?xún)?nèi)；在圖4中，試驗(yàn)與仿真曲線(xiàn)的力矩梯度值較一致，兩者誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明汽車(chē)動(dòng)姿態(tài)響應(yīng)和方向盤(pán)力矩反饋仿真結(jié)果達(dá)到滿(mǎn)意精度，為后續(xù)研究提供保障.

2輪轂電機(jī)對(duì)整車(chē)操縱穩(wěn)定性瞬態(tài)性能的仿真

2.1考慮輪轂電機(jī)整車(chē)模型的建立

由于本文不進(jìn)行底盤(pán)結(jié)構(gòu)形式的修改，在保持懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎性能參數(shù)不變的前提下，換裝輪轂電機(jī)后，原車(chē)非簧載質(zhì)量、整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及質(zhì)心位置是對(duì)操穩(wěn)性改變最顯著的參數(shù).輪轂電機(jī)質(zhì)量設(shè)計(jì)值約30 kg，分別安置在4個(gè)軸頭處，其對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變按式（1）計(jì)算，對(duì)質(zhì)心高度的改變按式（2）計(jì)算.Ijj=Ijj+4i=1mir2ji（1）式中：Ijj為安裝輪轂電機(jī)前（原車(chē)）繞三軸（側(cè)傾/橫擺/俯仰）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ijj為安裝輪轂電機(jī)后（設(shè)計(jì)車(chē)）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；rji為各輪轂電機(jī)至3條軸線(xiàn)的距離.H′=（H×M+Hhub×m）/（M+m）（2）式中：H′為設(shè)計(jì)車(chē)的質(zhì)心高度；H為原車(chē)的質(zhì)心高度；Hhub為輪轂電機(jī)安裝高度；M為原車(chē)整備質(zhì)量；m為輪轂電機(jī)總質(zhì)量.原車(chē)及設(shè)計(jì)車(chē)后的質(zhì)量、慣量參數(shù)見(jiàn)表1.

2.3考慮汽車(chē)運(yùn)動(dòng)及響應(yīng)反饋的閉環(huán)評(píng)價(jià)

對(duì)瞬態(tài)操縱的評(píng)價(jià)還應(yīng)包含人-車(chē)-路的交互作用.ISO的規(guī)范中以雙移線(xiàn)[11]和避障[12]試驗(yàn)，結(jié)合主觀(guān)評(píng)價(jià)評(píng)估汽車(chē)運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)反饋的綜合性能.

文獻(xiàn)[13]和[14]以14類(lèi)車(chē)在駕駛模擬器上獲取的主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果，采用“總方差評(píng)價(jià)方法” [15]，建立反映駕駛主觀(guān)感受的客觀(guān)評(píng)價(jià)體系.體系中包含汽車(chē)的軌道跟蹤精度、駕駛員操作負(fù)擔(dān)、翻車(chē)危險(xiǎn)性、側(cè)滑危險(xiǎn)性以及駕駛員路感等指標(biāo).本文對(duì)原車(chē)和設(shè)計(jì)車(chē)分別進(jìn)行車(chē)速為80 km/h的雙移線(xiàn)工況仿真（見(jiàn)圖7），并采用文獻(xiàn)[16]列出的標(biāo)準(zhǔn)門(mén)檻值和權(quán)值，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表3.由表3可知：加裝輪轂電機(jī)后車(chē)輛軌跡跟蹤性下降.雖然軌跡誤差指標(biāo)（橫向位移偏離規(guī)劃路徑的方差）略有上升（原車(chē)為3.558 8，加輪轂電機(jī)為3.437 4），但方向誤差指標(biāo)（縱向車(chē)速與側(cè)偏角速度乘積）下降明顯（原車(chē)為1.594 9，加輪轂電機(jī)為2.201 8）.這是因?yàn)榉腔奢d質(zhì)量的增加影響汽車(chē)瞬時(shí)的行駛方向，進(jìn)而影響道路跟隨性.反映駕駛員負(fù)擔(dān)指標(biāo)的項(xiàng)，設(shè)計(jì)性能下降也十分顯著.無(wú)論是方向盤(pán)操縱的繁忙程度（方向盤(pán)轉(zhuǎn)角頻率）還是方向盤(pán)力矩沉重程度，加裝輪轂電機(jī)后均增加駕駛負(fù)擔(dān).

3結(jié)束語(yǔ)

本文以某A級(jí)車(chē)總成性能試驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)，在CarSim中建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)典型操穩(wěn)工況進(jìn)行仿真，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)值比較，驗(yàn)證該動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性.依據(jù)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)方案，改變車(chē)輛相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行典型瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性工況的仿真.由汽車(chē)響應(yīng)的開(kāi)環(huán)評(píng)價(jià)可知，時(shí)域和頻域結(jié)果均表明加裝輪轂電機(jī)后，汽車(chē)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)（側(cè)向加速度、橫擺角速度）的響應(yīng)幅值下降，反應(yīng)遲滯度增加，振蕩效果降低；由汽車(chē)動(dòng)態(tài)響應(yīng)反饋的閉環(huán)評(píng)價(jià)可知，加裝輪轂電機(jī)后，汽車(chē)人-車(chē)-路操縱的總體性能下降，主要體現(xiàn)在軌跡跟蹤性和駕駛負(fù)擔(dān)性2項(xiàng)指標(biāo)上.以上仿真研究結(jié)果還需通過(guò)后續(xù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.參考文獻(xiàn)：

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