輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車行駛平順性研究

摘? 要：為研究輪轂電機(jī)對車輛平順性的影響，文章建立了1/4車輛二自由度振動系統(tǒng)模型和隨機(jī)路面輸入模型，以MATLAB/Simulink為仿真平臺建立了相應(yīng)仿真模型，通過仿真得到了不同非簧載質(zhì)量情況下車身加速度、車輪相對動載荷以及懸架動撓度對路面速度激勵的響應(yīng)。最后，分別從頻域和時域角度對振動系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著非簧載質(zhì)量的增加，車輛的平順性變差。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī);非簧載質(zhì)量;平順性

中圖分類號：TP391.9;U469.72? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0056-04

Abstract： In order to study the influence of hub motor on vehicle ride comfort， the 1/4 vehicle two degree of freedom vibration system model and random road input model are established. Taking MATLAB/Simulink as the simulation platform， the corresponding simulation model is established. Through the simulation， the responses of vehicle body acceleration， wheel relative dynamic load and suspension dynamic deflection to road speed excitation under different unsprung masses are obtained. Finally， the response of the vibration system is analyzed from frequency domain and time domain respectively. The results show that the vehicle ride comfort becomes worse with the increase of unsprung mass.

Keywords： hub motor; unsprung mass; driving comfort

0? 引? 言

隨著車輛保有量的不斷增加以及能源危機(jī)和大氣污染問題的日益突顯，研發(fā)環(huán)保型新能源汽車已經(jīng)成為緩解能源短缺和大氣污染的必要途徑。輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車具有傳輸效率高、布局合理、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場前景，然而，由于輪轂電機(jī)安置于車輛輪轂之中，這將增加車輛的非簧載質(zhì)量，使得整車的行駛平順性和乘坐舒適性變差[1]。針對輪轂電機(jī)車輛的行駛平順性問題，很多學(xué)者從進(jìn)行了相應(yīng)的研究，韓以倫以一種定子懸置的新型輪轂電機(jī)電動輪為研究對象，建立考慮吸振器效應(yīng)的1/4車輛垂向動力學(xué)模型，研究定子質(zhì)量轉(zhuǎn)移構(gòu)型對電動輪垂向振動特性及整車平順性響應(yīng)的影響[2]。靳立強(qiáng)對比分析了集中驅(qū)動與輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車在不同路面激勵和相同路面激勵情況下的車輛的垂直振動響應(yīng)變化。結(jié)果表明，輪轂電機(jī)的引入對車輛的車身加速度和輪胎相對動載荷兩個平順評價指標(biāo)均產(chǎn)生明顯的影響[3]。萬松采用常用的1/4車輛振動系統(tǒng)模型，研究了簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之比懸架阻尼系數(shù)與輪胎阻尼系數(shù)之比對輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛平順性的影響[4]。本文通過比較在不同簧下質(zhì)量的情況下，分別從時域和頻域角度分析車身加速度、輪胎動載荷和懸架動撓度這三個車輛平順性評價指標(biāo)的響應(yīng)變化情況，以分析輪轂電機(jī)的引入對各個平順性評價指標(biāo)的影響程度。

1? 模型的建立

1.1? 振動系統(tǒng)模型

在車輛平順性分析時，應(yīng)用最為廣泛且簡單實(shí)用，能綜合反應(yīng)振動系統(tǒng)特性的模型是1/4二自由度振動模型[5]。本文主要研究由于輪轂電機(jī)的加入引起的簧下質(zhì)量增加對整車平順性的影響，因此選擇的系統(tǒng)模型為常用的1/4二自由度車輛振動系統(tǒng)模型，圖1為本文所建立的車輛二自由度1/4車輛振動系統(tǒng)模型。

1.2? 路面輸入模型

輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車行駛時，其主要輸入激勵來自路面的不平度，在進(jìn)行車輛的平順性分析時，應(yīng)該首先研究路面輸入激勵。對于路面輸入激勵模型的建立有諧波疊加法、濾波白噪聲法、和時間序列模型法等很多種方法，其中，濾波白噪聲法應(yīng)用最為廣泛[7]。本文采用該方法，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 7031—2005建立的路面輸入模型為：

式中：q（t）為路面隨機(jī)不平度位移;f0為截止頻率（f0=0.01），w（t）為高斯白噪聲，Gq（n0）為路面不平度系數(shù)，v為車輛縱向速度。依據(jù)式（3），在Simulink中建立了隨機(jī)路面輸入模型，如圖2所示。

2? 輪轂電機(jī)對平順性的影響分析

在研究輪轂電機(jī)對車輛平順性的影響時，可采用頻域分析法和時域分析法，分別分析隨著簧下質(zhì)量變化，振動系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性和時域均方根值的變化情況，來綜合反應(yīng)輪轂電機(jī)對汽車平順性影響。

2.1? 頻域分析

為了進(jìn)行振動系統(tǒng)的頻域分析，首先應(yīng)求出各平順性評價指標(biāo)對路面速度激勵的頻率響應(yīng)函數(shù)。由于傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間方程可相互轉(zhuǎn)換，因此可由狀態(tài)空間方程式（2）可以得到車身加速度、懸架動撓度和車輪相對動載對路面速度輸入的傳遞函數(shù)，再令傳遞函數(shù)中的s=jω，即可得出系統(tǒng)各評價指標(biāo)對應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

運(yùn)用Matlab對式（4）（5）（6）進(jìn)行求模，再仿真得到輪轂電機(jī)質(zhì)量m3分別取10 kg、20 kg、30 kg時，車輛行駛平順性指標(biāo)車身加速度、懸架動態(tài)撓度和車輪相對動載荷對路面速度輸入的幅頻特性曲線，如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3、圖4、圖5的幅頻特性曲線可以看出，系統(tǒng)在車身和車輪的固有頻率處出現(xiàn)共振，產(chǎn)生兩個峰值。在低頻共振區(qū)，隨著非簧載質(zhì)量的增加，車輪動載荷、懸架動撓度和車身加速度的幅頻特性曲線幾乎重合;而在高頻共振區(qū)，幅頻特性曲線存在明顯差異。隨著非簧載質(zhì)量的增加，車輪的固有頻率降低，振動更早達(dá)到高頻共振峰值，且高頻共振峰的峰值顯著增大，達(dá)到峰值后衰減更迅速。

圖3顯示隨著非簧載質(zhì)量增加，車身加速度變大，使得乘坐舒適性變差;從圖4可以看出，在高頻共振區(qū)車輛相對動載顯著增大，這就增加了輪胎跳離地面的概率，輪胎的接地性能變壞，使車輛得驅(qū)動力和制動力下降，甚至導(dǎo)致行駛方向失去控制，嚴(yán)重影響車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性;而從圖5看出，非簧載質(zhì)量增加，懸架動態(tài)撓度的增大，這增加了懸架在車輛振動過程中撞到限位塊的概率，造成懸架元件的損壞，也影響乘坐舒適性。

2.2? 時域分析

路面等級一般分為8級，各級路面的不平度系數(shù)不同，其中B級路面在城市道路中比較常見。輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的使用主要是以城市通勤為主，因此選取B級路面作為仿真隨機(jī)輸入激勵，其路面不平度系數(shù)Gq（n0）= 6.4×10-6 m3，選取車速為v=30 km/h。在simulink中建立仿真模型，得到輪轂電機(jī)質(zhì)量m3分別取10 kg、20 kg和30 kg時，車身加速度、車輪動載和懸架動撓度三個振動系統(tǒng)響應(yīng)的均方根值，如表2所示，三個評價指標(biāo)的時域響應(yīng)曲線如圖6、圖7、圖8所示。

與頻域分析一樣，從表2和圖6、圖7、圖8中能夠得出，由于輪轂電機(jī)質(zhì)量的不斷增大，三個平順性評價指標(biāo)車身加速度、懸架動態(tài)撓度和車輪相對動載荷均增大。其中，車身加速度的增加幅值較小，總體變化并不十分明顯;懸架動撓度的數(shù)值增幅也相對較小;而車輪相對動載的增幅則較為明顯。另外，從表2的數(shù)值中也可以看出，車輪動載荷數(shù)值增加最大，在輪轂電機(jī)質(zhì)量m3=10 kg時的343.5 N，到轂電機(jī)質(zhì)量m3=30 kg時的396.2 N，增幅達(dá)到15.13%，這將導(dǎo)致車輪接地性下降，影響車輛行駛安全性。由此可見，輪轂電機(jī)質(zhì)量的增加不但影響車輛的行駛平順性，同時還對車輛的操控穩(wěn)定性造成影響。

3? 平順性改善建議

根據(jù)以上分析，輪轂電機(jī)的存在使得車輛非簧載質(zhì)量增加，影響汽車的平順性。如何改善輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的行駛平順性，主要從以下幾方面進(jìn)行考慮。

3.1? 輕量化

輕量化，即減小非簧載質(zhì)量。通過采用輕質(zhì)材料來制造輪轂、輪胎、制動器等非簧載質(zhì)量的部件，或者通過優(yōu)化輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)、研發(fā)功率密度更高的輪轂電機(jī)等來達(dá)到減輕電機(jī)質(zhì)量，從而減少非簧載質(zhì)量，以獲得提高車輛行駛平順性的目的。

3.2? 提高懸架性能

將傳統(tǒng)的被動懸架替換為半主動懸架或主動懸架，通過半主動懸架或主動懸架改變懸架阻尼力或彈性元件的剛度，以降低非簧載質(zhì)量增加引起各個平順性評價指標(biāo)的增大，以克服非簧載質(zhì)量對平順性產(chǎn)生的不利影響。

3.3? 安裝吸振器

吸振器的原理是在振動物體上附加質(zhì)量彈簧共振系統(tǒng)，通過將輪轂電機(jī)懸置轉(zhuǎn)化為吸振器質(zhì)量的方法，在共振時產(chǎn)生的反作用力可使振動物體的振動減小來改善車輛垂向特性，同樣也能起到改善車輛行駛平順性的效果。

當(dāng)然，輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛的行駛平順性改善可以是采用單一的方案，也可以采用集中方案同時使用，甚至進(jìn)行各種改善方案之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，集成控制，以達(dá)到最佳的平順性改善效果。

4? 結(jié)? 論

本文建立了1/4車輛振動系統(tǒng)模型和隨機(jī)路面激勵模型，以MATLAB/Simulink為仿真平臺建立了相應(yīng)的仿真模型，分別從時域和頻域角度分析了不同非簧載質(zhì)量情況下，輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛平順性評價指標(biāo)對路面速度激勵的響應(yīng)變化情況。結(jié)果顯示，隨著非簧載質(zhì)量增加，車輛平順性評價指標(biāo)均增大，其中車輪相對動載荷變化顯著，表明輪轂電機(jī)不但對車輛的行駛平順性有影響，同時還對車輛的操控穩(wěn)定性和行駛安全性造成影響。最后，結(jié)合分析結(jié)果，針對非簧載質(zhì)量增加對汽車平順性影響，提出了輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛平順性的改善建議。

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作者簡介：劉連明（1985—），男，漢族，江西贛州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：車輛動力學(xué)及其控制。