基于ADAMS/Car軟件研究輪轂電機驅動電動汽車的平順性

（汽車工程學院 上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

隨著人們的生活水平的不斷提高，人們開始追求生活質量，隨之而來的就是汽車的數量不斷的增加。然而傳統的內燃機汽車會帶來嚴重的環境污染問題。為了改善我們生活的環境，提高能源的利用率，所以提出了輪轂電動機驅動電動汽車，該輪轂電機汽車可以有效的減少能源的消耗量，并且可以減少大量的傳動部件，離合器，變速器等。然而由于輪轂電機直接安裝在車輪上，這導致了汽車的非簧載質量的增加，進而影響到輪轂電機驅動電動汽車的平順性[1,2]。通過利用ADAMS/Car軟件進行仿真分析來提高汽車的平順性。

1 路面模型的建立

建立隨機路面激勵的時域模型有濾波白噪聲生成法，有以PSD模型為基礎的隨機時序生成法，諧波疊加法，快速Fourier反變換生成法等。以上幾種方法各有各的優缺點，其中諧波疊加法適用于國標道路譜時域模型的生成。諧波疊加法缺點就是計算量大與其他方法相比的，諧波疊加法優點是該方法理論基礎比較成熟和嚴密，算法簡單直觀，是一種高保真的頻域模型轉換木方法[3]本文采用諧波疊加法來創建隨機路面不平度的頻域模型。

通過隨隨機路面激勵的分析，隨機路面不平度位移功率譜密度擬合公式如下：

將空間頻率范圍(n1,nu)劃分為n個頻帶，取每個頻帶內的中心頻nmi(i=1,2,…,n)處的頻譜密度值Gq(nmi)代替Gq(n)在整個頻帶內的值則：

每一個頻帶中找到其頻率為nmi且其標準差為的正弦函數，然后將與各個小區間相對的正弦波函數疊加起來，隨機路面輸入：

根據不同等級路面的不平度系Gq(n0)的取值，計算空間頻率范圍內的Gq(n)，對其離散化處理，代入式(4)計算出空間頻域內的隨機路面 位移輸入q(x)，根據以上公式創建出ADAMS要求的不同等級路面文件。

表1 路面不平度系數

2 前懸架模型建立

汽車是縱向對稱的系統，通ADAMS/Car對前懸架系統建立模型時，只需要建立一半的模型就可以了，另外一半的前懸架模型會自動生成，這樣可以有效的減少建模型的時間，調高工作效率，提高了模型的準確度。

前輪懸架導向機構采用的是雙橫臂形式，前懸架的導向機構形式主要有上下擺臂，轉向橫拉桿以及轉向節。雙橫臂懸架導向結構圖如圖1所示。

圖1 雙橫臂懸架導向結構簡圖

O為車輪中心，AB、AC組成轉向節，AD，DJ組成轉向橫拉桿，BE，BF為上控制臂，CG，CH為下控制臂。前輪雙橫臂懸架導向機構以及轉向機構的約束主要有球鉸和轉動副兩種形式。

懸架是汽車上主要的組成部分，是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總成。一般的組成部分包括彈性元件，導向機構以及減震器和緩沖塊組成等。另外其具有緩和由不平路面傳給車架的沖擊載荷，可以有效的減緩承載系統的振動，以滿足汽車的正常的行駛[4]在建模過程中需把彈簧、減震器、和輪胎外的部件簡化為剛體，這些簡化為剛體的部件在仿真時不考慮其仿真實驗時的變形。本文中的輪轂電機驅動電動汽車的前懸架采用的是雙橫臂式獨立懸架。主要的組成部件包括：上橫臂、下橫臂、轉向橫拉桿、主軸銷、減震器、螺旋彈簧、橫向穩定桿等。如圖2所示。

圖2 前懸架模型

表2 前懸架硬點坐標表

3 后懸架模型的建立

本文所研究的汽車采用后懸架雙叉臂式獨立懸架，該懸架采用的是A字型控制臂和上下兩根不等長的V字型以及支柱式液壓減震器組成，一般來說上節臂短于下節臂。在整個雙叉臂式獨立懸架中，通過幾個支點的連接可以有效的提高了整體性，這個懸架的上下節臂還可以有效的消除橫向作用力的功效，這可以減少減震器不再承受橫向作用力，因此在彎道上具有良好的方向穩定性[5]。

圖3 后懸架模型

表3 后懸架硬點坐標表

4 其他系統模型的建立

4.1 轉向系統

該轉向系統模型采用的是齒輪齒條式的轉向器。主要構成部分有轉向盤、轉向軸、轉向柱、轉向齒條、齒輪和轉向橫拉桿。建立此模型前提是車身固定，轉向盤于車身為轉動鉸鏈，第一段的轉向軸與轉向盤之間采用固定連接，和車身采用圓柱鉸鏈。第一段轉向軸和第二段轉向軸之間、第二段轉向軸與第三段轉向軸之間都是采用的是萬向鉸鏈。轉向橫拉桿與第三根轉向軸的末尾連接，連接方式采用的是齒輪齒條式連接，轉向橫拉桿相對于車身為移動副，然而轉向橫拉桿的兩端一端與前懸架系統連接，另一端采用球鉸相連接。轉向齒條采用的一個移動副和一個轉向器的套筒連接，利用一個耦合副約束該旋轉副與移動副之間的運動情況，轉向齒條使用的是兩個橡膠襯套與左右兩根轉向拉桿連接，轉向拉桿在通過球副和轉向節臂連接[6]。

圖4 轉向系統模型

表4 轉向系統坐標表

4.2 輪胎模型

輪胎是汽車非常重要的組成部分，輪胎的主要作用有：傳遞側向力和為車輛提供轉向，傳遞縱向力以實現驅動、加速和制動；支撐整車的重量；與懸架共同作用，衰減和抑制由路面不平引起的振動和沖擊。在ADAMS軟件中包含了多種汽車輪胎模型，并且具有足夠的精度，各個類型的輪胎適用于不同的場合，每種輪胎的側重點也是不一樣的。以下是本輪采用的SWIFT輪胎模型[7]。

車身模型起到連接前后懸架，轉向系的作用，只有建立起車身模型并正確定義與其他系統的通訊關系，才能夠保證整車仿真的順利。在建立車身過程中，將車身簡化為一個質點，質量集中在一點，同時設定質量參數。

圖5 輪胎模型

5 整車模型的裝配

圖6 整車模型

圖7 整車測試模型

6 整車仿真分析

通過仿真分析，由于輪轂電機純電動汽車的結構影響，電機是直接安裝在車輪上的，所以這將導致輪轂電機驅動電動汽車的非簧載質量的增加，這將影響到汽車行駛的平順性。本次仿真是在瀝青路面上進行的仿真實驗。由于汽車多數是在城市上行駛的所以把汽車的行駛速度預定為60km/h。由于輪轂電機驅動純電動汽車，由于仿真的情況需求。把電機假設為剛體。隨著非簧載質量的增加，輪轂電機驅動電動汽車的平順性的變化。根據需求的話，可能需要考慮到在汽車車架上考慮到座椅的振動情況。分為三個方向，x，y，z這幾個方向通過求出這幾個功率譜密度函數，再求出加權加速度均方根值[8]。最后計算出加權振級。計算出振動頻率實在那個階段，對人體的影響有多大。

影響汽車的平順性的主要的的影響因素主要是車身垂向加速度，懸架動擾度和車輪動載荷。首先把車輪的質量定在25kg，根據ADAMS/Car軟件仿真著的結果結果分析得出了車身垂向加速度，懸架動擾度和車輪動載荷曲線[9,10]。非簧載質量可以簡單的描述為整車上不受懸架彈簧支撐的重量。這部分包括車輪、制動器、懸架桿系、轉向節等，而在電動輪汽車上，輪轂電機直接驅動輪胎，將電機安裝在輪輞內。因此驅動電機的質量會被算作非簧載質量，而且相對于傳統汽車，驅動電機的引入對非簧載質量的增加時非常明顯的，非簧載質量是整車振動系統中的主要組成部分，影響著車身所承受的沖擊載荷的大小，也是影響整車行駛平順性的重要因素[11,12]。

由于非簧載質量包含的部件很多，這也隨測量其大小帶來很大的不便。本文所建的模型中，引入得驅動電機簡化部分，修改其質量大小并仿真，觀察費簧載質量的變化對車身垂向加速度、懸架動擾度以及懸架動擾度的影響。

圖8 質量25kg示意圖

圖9 質量35kg示意圖

圖10 質量45kg示意圖

圖11 質量55kg示意圖

6 結論

根據以上圖形分析可以看出隨著非簧載質量的增加，車身垂向加速度、懸架動擾度及車輪動載荷有著明顯的增加，汽車的平順性有著明顯的下降。非簧載質量的變化對車身垂向加速度和車輪動載荷的影響都是明顯的，并且都隨著非簧載質量增加而增加。非簧載質量的增加使得車輛行駛性有惡化的趨勢。電動輪汽車的輪轂驅動安裝在輪轂驅動電機的內部，這將不可避免的增加非簧載質量，進而影響車輛行駛平順性，非簧載質量的的增加主要影響車輪載荷的增加，這將惡化車輛輪胎的接地性能。