輪邊驅(qū)動電動車車輪設(shè)計與研究

姬鵬　姜愉

摘 要：文章提出了一種新的基于線控技術(shù)的輪邊驅(qū)動電動車車輪結(jié)構(gòu)，為驗證結(jié)構(gòu)的可行性，利用ADAMS/Car仿真軟件中建立整車動力學(xué)仿真模型并進(jìn)行脈沖路面和隨機(jī)路面的仿真。通過分析車身振動的加權(quán)加速度均方根值，判斷振動的頻率是否在人體對振動可接受的范圍內(nèi)驗證其可行性。經(jīng)過仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)得出本文提出的車輪結(jié)構(gòu)能提高整車平順性。

關(guān)鍵詞：輪邊驅(qū)動；ADAMS；加權(quán)加速度均方根值；平順性

中圖分類號：U463.343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0101-02

引言

電動車作為最有前景的新能源汽車正逐漸成為人們最為便捷的交通工具。輪邊驅(qū)動電動車以其緊湊簡單的結(jié)構(gòu)、高效的傳動效率得到各大汽車企業(yè)的青睞[1]。輪邊驅(qū)動輪轂電機(jī)主動車輪集成了懸架、電機(jī)、阻尼器、制動和轉(zhuǎn)向等功能，實現(xiàn)了電動車緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時也加大了整車的簧載質(zhì)量和車輪動載荷，從而增大了車身的垂直加速度，因此惡化了整車的平順性和操縱穩(wěn)定性。另一方面，路面等級和汽車行駛速度的不同也會不同程度地影響車身的振動。機(jī)械振動的頻率、強(qiáng)度、方向和時間也會受人的感受的影響。本文利用平順性最基本的評價方法加權(quán)加速度均方根值來驗證輪邊驅(qū)動主動車輪是否符合GB/T4970-《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法》。

1 輪轂電機(jī)主動車輪的提出

本文提出的主動車輪基于米其林輪轂電機(jī)車輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動扭矩從牽引電機(jī)經(jīng)齒輪減速傳遞到輪轂上，比起直接驅(qū)動發(fā)動機(jī)，這種結(jié)構(gòu)可以在更高角速度下輸出最大的扭矩，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊。

主動懸架可以根據(jù)汽車實際的行駛狀況動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整懸架系統(tǒng)的阻尼特性和剛度，以便更好地減振。本文結(jié)合米其林主動車輪，根據(jù)需要實現(xiàn)的車輪功能，提出了一種新的輪邊驅(qū)動輪轂電機(jī)主動車輪：車輪集成了驅(qū)動輪轂電機(jī)、制動、轉(zhuǎn)向、懸架、阻尼等基本功能，用線性旋轉(zhuǎn)電動馬達(dá)控制偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。輪轂集成與安裝在輪架上的小齒輪嚙合的齒輪，電機(jī)控制小齒輪的運(yùn)作，電機(jī)定子與輪架集成，轉(zhuǎn)子通過直接嚙合帶動小齒輪，將扭矩傳遞給輪轂。車輪內(nèi)部有中心布置的截面為矩形的轉(zhuǎn)向桿，由四個滾道組成，增大懸架行程，轉(zhuǎn)向桿和轉(zhuǎn)向件之間的平移運(yùn)動完成懸架的功能。結(jié)構(gòu)與常規(guī)輪轂電機(jī)輪邊驅(qū)動車輪最大的不同是輪內(nèi)集成了小懸架彈簧與整車懸架主簧相匹配來最大程度地降低輪邊驅(qū)動車輪增加的非簧載質(zhì)量；同時，結(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)對外傾角的控制：底盤載荷通過底盤上安裝的臂轉(zhuǎn)移到集成的懸架上，外傾桿通過平行四桿機(jī)構(gòu)與輪架上的連接點相連，底盤和外傾桿中間的千斤頂控制外傾角的變化，結(jié)構(gòu)允許的最大外傾角變化范圍在±15°到20°之間。車輪的減振器采用線性電子機(jī)械的方式，減振電機(jī)定子與導(dǎo)向元件連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子連接在導(dǎo)向桿上。

2 動力學(xué)建模

在汽車平順性的討論過程中，整車模型的縱向、橫向平移以及俯仰、側(cè)傾和橫擺運(yùn)動作為額外的自由度，車身包括質(zhì)量參數(shù)和幾何邊界，可以更好地分析非簧載質(zhì)量的增加對整車乘坐舒適性的影響。

其中簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的垂直本征頻率分別由下列公式[2]計算：

模型在虛擬路面上行駛，在后處理PostProcessor模塊得到操作特性曲線。

3 輪邊驅(qū)動電動車平順性仿真分析

利用ADAMS/Car中的Road Builder分別創(chuàng)建bump路面和curb仿真路面，并設(shè)置成預(yù)設(shè)的路面障礙參數(shù)。

整車模型仿真中，由于模型接近路面干擾時，前后軸到達(dá)路面障礙的時刻不同，因此會產(chǎn)生相應(yīng)的俯仰運(yùn)動，沖擊時刻的時間間隔與車速有關(guān)[6]。每個仿真的車速下，簧下質(zhì)量初始設(shè)置每個輪角的簧下質(zhì)量為40kg。整車模型簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的垂直本征頻率分別由下列公式[7]計算：

圖3是整車模型在經(jīng)過鼓包道路輪廓時簧載質(zhì)量垂直加速度RMS和車速的函數(shù)關(guān)系圖。車速在1km/h到10km/h期間，40kg和60kg的簧載質(zhì)量設(shè)置的垂直加速度保持相對的穩(wěn)定；車速大于10km/h時，隨著車速的增加，簧載質(zhì)量垂直加速度大大降低，即隨著車速的增加，道路干擾減小，整車的平順性也隨之變差。圖4是整車模型在通過斜坡路面輪廓時，簧載質(zhì)量垂直加速度RMS與車速的函數(shù)關(guān)系圖。RMS在0.58m/s2到1.13m/s2的波動取決于簧載質(zhì)量和車速的變化。車速為90km/h時，RMS達(dá)到最大值，即此刻整車乘坐舒適性最差[8]。

4 結(jié)束語

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，整車模型仿真數(shù)據(jù)區(qū)別于四分之一車模型。但是仿真結(jié)果均顯示輪邊驅(qū)動電動車的平順性取決于道路干擾頻率。模型在鼓包道路上的縱向平移基于正弦波輸入信號，當(dāng)干擾頻率在非簧載質(zhì)量本征頻率之上時，平順性有所提高，非簧載質(zhì)量的增加勢必會降低平順性。模型在斜坡道路上縱向平移時，垂直加速度均方根值的增加由非簧載質(zhì)量的增加引起。忽略車速的不同，四分之一車模型簧載質(zhì)量加速度值較為穩(wěn)定，而整車模型則波動較大且RMS值要低得多，這一現(xiàn)象的原因可能是仿真測量點選取位置的不同：四分之一車模型加速的測量點在懸架頂端的右側(cè)，而整車模型的測量點在重心處。根據(jù)ISO 2631-1；1997（E）規(guī)定[9]的標(biāo)準(zhǔn)，輪邊驅(qū)動電動車的平順性在人體對振動的接受范圍內(nèi)。本文提出的輪邊驅(qū)動電動車主動車輪能較好地提高整車平順性。

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