輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向節(jié)受力計(jì)算方法

陳盼，王姝（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向節(jié)受力計(jì)算方法

陳盼，王姝
（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

論文根據(jù)空間力系平衡原理，以轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，建立了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車轉(zhuǎn)向節(jié)受力計(jì)算方法。此計(jì)算方法分析了在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)力Mt作用下，麥弗遜懸架系統(tǒng)的受力情況，建立了空間力平衡方程。此計(jì)算方法可以根據(jù)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、減振器的尺寸與性能參數(shù)和整車參數(shù)使用MATLAB快速求出輪轂電機(jī)作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的反向力矩對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)受力的影響，方便設(shè)計(jì)人員調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定最優(yōu)方案。

轉(zhuǎn)向節(jié)；輪轂電機(jī)；麥弗遜；側(cè)向力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.018

CLC NO.: U461.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-49-04

引言

電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)汽車主要的不同在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將汽車的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置都整體布置到輪轂內(nèi)，得以將電動(dòng)車輛的動(dòng)力總成機(jī)械部分大為簡(jiǎn)化，使得輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式成為最能充分發(fā)揮電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)0。

常見乘用車的前懸架系統(tǒng)多使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，節(jié)省空間的麥弗遜懸架。輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于麥弗遜懸架將會(huì)是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)方式的主流方向。文獻(xiàn)0已經(jīng)研究提出了改進(jìn)的適合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的麥弗遜懸架。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)從簧載質(zhì)量轉(zhuǎn)移到輪邊，傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)扭矩的反作用扭矩也從車身轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)向節(jié)，受力如簡(jiǎn)圖 1。由圖可以看出，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輪邊驅(qū)動(dòng)扭矩Mt的反作用扭矩Mt’是作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的。此反作用力使得輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的麥弗遜懸架轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況不同于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)。

圖1　不同驅(qū)動(dòng)形式車輛轉(zhuǎn)向節(jié)上的作用力比較

麥弗遜懸架系統(tǒng)受力計(jì)算常見的方法是將懸架簧下質(zhì)量部分看作整體，通過平面力系平衡關(guān)系求解得到減振器側(cè)向力0-0。此方法無法計(jì)算輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況下，作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的電機(jī)的反作用扭矩對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況的影響，因此不能滿足要求。

根據(jù)空間力與力矩系的平衡關(guān)系，建立了輪轂電機(jī)反作用扭矩下麥弗遜懸架系統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)受力計(jì)算模型，提出了不同的驅(qū)動(dòng)扭矩下減振器側(cè)向力計(jì)算與分析方法和各個(gè)相關(guān)懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)受力的影響，為以輪轂電機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)的車輛懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了方法。

1、計(jì)算模型

1.1模型假設(shè)

麥弗遜懸架系統(tǒng)和車身連接部分為具有不同剛度的襯套，為簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)將其連接點(diǎn)簡(jiǎn)化為鉸鏈連接，下A臂和轉(zhuǎn)向節(jié)之間簡(jiǎn)化成球鉸連接，轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)的鏈接方式簡(jiǎn)化成球鉸連接；懸架擺臂，轉(zhuǎn)向拉桿，減振器彈簧總成的質(zhì)量相對(duì)較小計(jì)算中忽略不計(jì)。

1.2建立模型

以輪轂軸承中心平面與前軸軸線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖所示的局部坐標(biāo)系；麥弗遜懸架的受力示意圖如圖2：

圖2　麥弗遜懸架系統(tǒng)受力示意圖

根據(jù)剛體上力的平移定理可以將垂直支撐力N和轉(zhuǎn)向節(jié)重力mg移動(dòng)到輪胎中心作用點(diǎn)，同時(shí)附加兩個(gè)力偶mg·δY和N·δy如圖3所示：

“我永遠(yuǎn)愛她。一個(gè)長(zhǎng)期單身的男人，對(duì)婚姻談不上什么真知灼見，好比一個(gè)體操運(yùn)動(dòng)員，在長(zhǎng)期中斷訓(xùn)練之后，技藝生疏，已無膽量重返賽場(chǎng)。我忘不了她。她帶走了我的愛，我連愛的能力都喪失了。”

圖3　輪轂中心處受力的局部示意圖

以轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，根據(jù)空間力系平衡方程可得如下方程組：

以減振器活塞桿為研究對(duì)象0，沿局部坐標(biāo)系X’Y’Z’對(duì)O點(diǎn)取距，并定義系數(shù)可得：

圖4　減振器在局部坐標(biāo)系X'Y'Z'中的受力簡(jiǎn)圖

由于圖2中所示的各個(gè)力均為空間力（減振器側(cè)向力在局部坐標(biāo)系 X’Y’Z’中與三個(gè)坐標(biāo)系平行，但是在坐標(biāo)系 XYZ中為空間力），需先將各個(gè)受力在坐標(biāo)系XYZ中分解為三個(gè)分力。分解方法如下：

（2）由于上部側(cè)向力、下部側(cè)向力和阻尼力的作用點(diǎn)均在減振器軸線上，由幾何關(guān)系可知：

（3）假設(shè)有任意空間力F且F在XZ平面中的投影與X軸夾角為α，F(xiàn)在YZ平面上的投影與Y軸夾角為β，F(xiàn)與F 在 XZ平面上的夾角為γ，在模型中定義（α，β，γ）為方向角，如圖5所示：

圖5　空間任意力的分解

則有如下關(guān)系式：

圖6　Fulx、Fuly在整車坐標(biāo)系OXYZ里的方向

（5）工程中常用的減少減振器側(cè)向力的措施為使彈簧的作用線想輪胎一側(cè)偏移距離0，現(xiàn)在假設(shè)彈簧力作用線與輪胎軸線的交點(diǎn)到轉(zhuǎn)向主銷與輪胎軸線交點(diǎn)之間的距離為 s，減振器阻尼力作用線與輪胎軸線的交點(diǎn)到轉(zhuǎn)向主銷與輪胎軸線交點(diǎn)之間的距離為d，如圖7所示：

圖7　彈簧作用力軸線和減振器軸線示意圖

則可以得到如下方程：

將圖2中的所有力按照坐標(biāo)系XYZ的方向分解后帶入方程（1）可得方程（1）的矩陣形式：

矩陣表達(dá)式中的Ci（i=1、2、3、4、5、6、7、8、9）表示如下：

聯(lián)立求解上述方程組（1）（2）（3）（4）（5）中即可得到。代入方程（2）可求得。至此模型建立完畢。

1.3模型求解

為求得減振器側(cè)向力和輪轂電機(jī)反作用扭矩 Mt’的關(guān)系并研究對(duì)側(cè)向力有影響的其他因素，將某乘用車的前麥弗遜懸掛系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入建立的模型中，求解模型。輸入數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　某乘用車前懸架參數(shù)

表2　某乘用車前懸架力作用點(diǎn)角度和位置參數(shù)

在MATLAB中求解線性方程組（1）即可求解出各個(gè)力的數(shù)值。減振器套筒和活塞桿之間的側(cè)向力和減振器套筒和活塞之間的側(cè)向力分別為：

設(shè)減振器內(nèi)壁和活塞、活塞桿之間的摩擦系數(shù)為μ，那么由于減振器側(cè)向力存在而引起的附加阻尼力為：

2、數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述的計(jì)算模型和計(jì)算數(shù)據(jù)可以得到減振器上部側(cè)向力Ful和減振器下部作用力Fll與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)反作用扭矩的關(guān)系，如圖8所示：

圖8　減振器側(cè)向力和輪轂電機(jī)驅(qū)反作用扭矩的關(guān)系

由圖8可明顯看出，隨著輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩Mt的增大，減振器側(cè)向力Ful和Fll幾乎線性增大。

由計(jì)算模型可知，代表減振器結(jié)構(gòu)的參數(shù)K也會(huì)對(duì)減振器側(cè)向力產(chǎn)生很大的影響，圖9計(jì)算了不同的減振器系數(shù)下減振器側(cè)向力隨著反作用扭矩的變化關(guān)系：

圖9　K值變化時(shí)減振器上部和下部側(cè)向力隨反作用驅(qū)動(dòng)扭矩的變化關(guān)系

3、總結(jié)

論文根據(jù)空間力系平衡原理，以轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，分析了在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)力Mt作用下，麥弗遜懸架系統(tǒng)的受力情況，建立了空間力平衡方程，可以根據(jù)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、減振器的尺寸與性能參數(shù)和整車參數(shù)快速求出輪轂電機(jī)作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的反作用力矩對(duì)減振器側(cè)向力的影響。根據(jù)文中使用的模型計(jì)算數(shù)據(jù)可以得到減振器上部和下部作用的側(cè)向力隨著驅(qū)動(dòng)扭矩的變化曲線以及減振器機(jī)構(gòu)參數(shù)K對(duì)側(cè)向力的影響。這種計(jì)算方法可以使設(shè)計(jì)人員方便地調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定最優(yōu)懸架系統(tǒng)參數(shù)方案。

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A Calculation Method of Suspension KnuckleForce on Hub Motor Driving Car

ChenPan,Wang Shu
( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

According to the spatial force system balance principle,a new calculation method of Suspension Knuckle Force on hub motor driving car is built which treating knuckle as the research object. This calculation method analyzes the force conditions of McPherson Suspension system under the hub motor drive torque Mt, establishes a spatial force equilibrium equations. The model can be solvedquickly by the software MATLAB according to the structural parameters of the suspension system and vehicle parameters, also can find out the influence of the reaction forceacting on the knuckle, which will cause the lateral force on the damper. The application of this calculation model willgive thevehicle designers more convenience to adjust the related parameters andobtain the optimal solution.

Knuckle; hub motor; Macpherson; lateralforce

U461.1

A

1671-7988（2015）12-49-04

陳盼，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)，碩士研究生，研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。