輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化研究

任洪卓 陳雙 張宇涵

摘 要：由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，其簧下質(zhì)量較集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車有所增加，從而導(dǎo)致車輛行駛的平順性和操縱性有所惡化。針對(duì)此類問題，以自主研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車為基礎(chǔ)，提出對(duì)原車的懸架進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)優(yōu)化，此方案共分為兩部分，一為在輪內(nèi)加裝橡膠襯套，使電機(jī)處于被隔離狀態(tài)，二為將原車的減震器替換為半主動(dòng)減震器，此套懸架系統(tǒng)對(duì)整車的平順性和操縱性有一定程度上的改善。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī);懸架系統(tǒng);平順性;操縱性

0 前言

目前汽車行業(yè)的發(fā)展重心為新能源電動(dòng)汽車，在眾多種類的電動(dòng)汽車中，輪轂電機(jī)這種驅(qū)動(dòng)形式漸漸走入眾多學(xué)者和企業(yè)的眼中，受到各個(gè)國(guó)家的高度重視[1]，與其他形式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車相比，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車具備更好的空間利用率、NVH、安全性以及更簡(jiǎn)化的底盤結(jié)構(gòu)。

但不可忽視的是，由于輪內(nèi)電機(jī)的引入，將增加汽車的簧下質(zhì)量，使車輛的垂向性能發(fā)生了很大變化，惡化車輛行駛的平順性和操縱性。文獻(xiàn)[2]通過建立汽車二自由度垂向振動(dòng)模型，在其他因素保持不變的情況下只改變非簧載質(zhì)量，并對(duì)比分析不同簧載質(zhì)量下汽車平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化，分析簧載質(zhì)量對(duì)汽車平順性的影響大小。文獻(xiàn)[3]和[4]分析了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式與集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的不同之處，并得出了二者非簧載質(zhì)量不同是造成平順性惡化的根本原因。

隨著此種驅(qū)動(dòng)類型技術(shù)難題的不斷攻關(guān)，輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車擁有巨大的市場(chǎng)前景。為了提高輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的平順性及操縱性，對(duì)其懸架系統(tǒng)的研究有十分重要的意義[5]。

1 輪內(nèi)減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1.1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究

此種驅(qū)動(dòng)形式最早由美國(guó)人發(fā)明，在1950年代，羅伯特發(fā)明了一種電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)一體的輪轂裝置。目前來說，此種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共分為兩類，第一類為裝備內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子類型電機(jī)的電動(dòng)輪系統(tǒng)，第二類為裝備內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子類型電機(jī)的電動(dòng)輪系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)需要為電機(jī)適配一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。我國(guó)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了一定成果，如我校自主研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車采用內(nèi)定子，外轉(zhuǎn)子型電機(jī)，并且可以實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立控制，其輪內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 輪內(nèi)減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

雖然由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車已經(jīng)研發(fā)多年，并成功造出了實(shí)車，但為了使輪轂電機(jī)能夠完美的安裝在電動(dòng)汽車上，消除由于簧下質(zhì)量增加產(chǎn)生的垂向負(fù)效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及各大企業(yè)進(jìn)行了很多研究。

為了應(yīng)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)垂向性能變差的問題，目前主要有三種解決思路：第一種是輕量化設(shè)計(jì);第二種思路是對(duì)輪轂電機(jī)安裝方式進(jìn)行改進(jìn)研究;第三種是對(duì)改進(jìn)原車的懸架系統(tǒng)，如重新匹配減震器參數(shù)等。對(duì)于輪內(nèi)減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比較著名的為米其林的“主動(dòng)車輪”，其為輪轂電機(jī)在輪內(nèi)設(shè)置了一套主動(dòng)減震裝置，可以減弱轉(zhuǎn)彎時(shí)的顛簸以及側(cè)傾，對(duì)汽車的平順性和操縱性也有一定程度的優(yōu)化，但是其輪內(nèi)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，無法量產(chǎn)。

考慮到減震效果以及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度，本文提出可以在輪內(nèi)設(shè)置一套橡膠襯套，其安裝位置為電機(jī)與車輪結(jié)構(gòu)的連接處，利用橡膠襯套本身具有的剛度和阻尼，使電機(jī)在輪內(nèi)處于被隔離狀態(tài)。在路面激勵(lì)的輸入下，振動(dòng)的傳遞路線為：輪胎、輪輞、橡膠襯套、電機(jī)。此種設(shè)計(jì)對(duì)于車輛平順性和操縱性的優(yōu)化效果雖不如米其林“主動(dòng)車輪”好，但是勝在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修保養(yǎng)，且由于橡膠質(zhì)量很小，沒有進(jìn)一步增加汽車的簧下質(zhì)量，同時(shí)又可以同時(shí)對(duì)車輛的車身加速度，輪胎動(dòng)載荷，懸架動(dòng)行程起到一定的優(yōu)化作用。

2 半主動(dòng)懸架控制策略的研究

考慮到輪內(nèi)減震系統(tǒng)對(duì)于車身加速度、輪胎動(dòng)載荷、懸架動(dòng)行程的優(yōu)化效果有限，提出將原車的減震器替換為半主動(dòng)減震器，二者共同構(gòu)成輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車懸架系統(tǒng)，其中對(duì)于平順性和操縱性優(yōu)化效果影響最大的為半主動(dòng)減震器的控制策略。

目前現(xiàn)存的控制策略可分為經(jīng)典控制策略、現(xiàn)代控制策略以及智能控制策略三種。其中典型的經(jīng)典控制策略為天棚阻尼控制，其原理是模擬在虛擬空間與車身之間安裝一個(gè)阻尼器來控制簧載質(zhì)量的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率小于一階共振峰后不動(dòng)點(diǎn)處的頻率時(shí)，此種控制策略對(duì)于車身加速度有很好的優(yōu)化效果?，F(xiàn)代控制策略有線性二次型最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。智能控制策略以模糊控制為代表，它利用人類的經(jīng)驗(yàn)來建立控制規(guī)則，根據(jù)信號(hào)來決定輸出。為了能夠?qū)⒉煌刂撇呗缘膬?yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，同時(shí)避免其先天劣勢(shì)造成的不良影響，目前主流的發(fā)展方向是將不同的控制策略相結(jié)合，以達(dá)到互補(bǔ)的效果。因此復(fù)合控制策略被廣大學(xué)者認(rèn)為是汽車懸架未來的主要發(fā)展方向。

綜合考慮，本文采用頻分控制法對(duì)半主動(dòng)減震器進(jìn)行控制，其主要思想為根據(jù)車身震動(dòng)頻率，切換合適的控制策略進(jìn)行相應(yīng)的控制，頻率選擇器的切換頻率為車身加速度幅頻特性曲線中一階共振峰后不動(dòng)點(diǎn)處的頻率。由于天棚阻尼控制算法對(duì)于低階頻率振動(dòng)有很好的抑制效果，ADD控制算法在整個(gè)頻段都能很好的抑制車身振動(dòng)。因此，本文所提出的頻分控制法具體操作為當(dāng)懸架振動(dòng)頻率小于等于不動(dòng)點(diǎn)處頻率時(shí)根據(jù)天棚阻尼控制算法設(shè)計(jì)控制器;當(dāng)懸架振動(dòng)頻率大于不動(dòng)點(diǎn)處的頻率時(shí)根據(jù)ADD控制算法設(shè)計(jì)控制器，頻分控制策略對(duì)車輛的平順性和操縱性有很大程度上的優(yōu)化效果。

3 結(jié)論

本文以自主研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車為基礎(chǔ)，以優(yōu)化車輛的平順性和操縱性為目標(biāo)，提出設(shè)計(jì)一套由兩部分組成的懸架系統(tǒng)，第一部分為以橡膠襯套為基礎(chǔ)的輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)，第二部分為由頻分控制法控制的半主動(dòng)減震器。此套懸架系統(tǒng)的提出，對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的平順性和操縱性有一定程度上的優(yōu)化，對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車減震系統(tǒng)的發(fā)展也有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Andres Eduardo Rojas Rojas，Haymo Niederkofler， Johann Willberger.Comfort and Safety Enhancement of Passenger Vehicles With In-Wheel Motors[C].SAE 2010 World Congress.2010：11273-11295.

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[3]張中南.輪轂電機(jī)式電動(dòng)汽車行駛平順性與安全性研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2014.

[4]汪志強(qiáng).輪轂電機(jī)對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性和平順性的影響研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[5]馬英.電動(dòng)車輪構(gòu)型分析與結(jié)構(gòu)研究[D].重慶大學(xué)，2013.