輪轂電機(jī)電動汽車輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)建模及平順性仿真

任洪卓 陳雙 張宇涵

摘 要：以自主研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車為研究對象，設(shè)計一套電動輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)，建立裝備電動輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的三自由度1/4動力學(xué)模型，在Matlab/simulink環(huán)境中進(jìn)行建模及平順性仿真，為懸架設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī);輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu);三自由度;平順性

0 前言

隨著相關(guān)政策的普及和相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，電動汽車擁有巨大的發(fā)展?jié)摿笆袌銮熬?。輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車因較高的空間利用率、NVH、安全性以及更簡化的底盤結(jié)構(gòu)，引起了廣大企業(yè)及學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車具有很多優(yōu)勢，但由于簧下質(zhì)量的增加，其平順性受到了很大的影響。針對此類問題，廣大學(xué)者進(jìn)行了大量的設(shè)計及研究，文獻(xiàn)[2]建立了汽車二自由度垂向振動模型，通過改變非簧載質(zhì)量，并對比分析不同簧載質(zhì)量下汽車平順性評價指標(biāo)的變化。文獻(xiàn)[3]分別建立了有無輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的1/4二自由度動力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析。

本文以自主研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車為研究對象，對裝備輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的三自由度1/4動力學(xué)模型進(jìn)行建模與平順性仿真分析。

1 電動輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車電機(jī)選擇為內(nèi)定子型電機(jī)，與常規(guī)的集中電機(jī)相比，省去了傳動軸、差速器等機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。此種驅(qū)動形式的電動輪，高度集成了輪轂電機(jī)、制動器、冷卻系統(tǒng)等，可以同時實現(xiàn)驅(qū)動、制動以及能量回收的功能，但會引起簧下質(zhì)量的增加，進(jìn)而影響汽車平順性。因此，本文將三組橡膠襯套安裝于輪內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)連接處，構(gòu)成電動輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 路面模型及1/4動力學(xué)模型建立

2.1 單輪隨機(jī)輸入路面模型的建立

汽車行駛時，不平路面的隨機(jī)振動為輪胎的激勵。本文的路面輸入類型選擇為時域模型，輸入的時間歷程可以通過濾波白噪聲法獲得，如公式（1）所示。

（1）

式中：路面空間截止頻率，單位m-1;標(biāo)準(zhǔn)空間頻率，單位m-1;路面不平度系數(shù)，單位m3;隨機(jī)白噪聲為w（t）;車速為u，單位m/s。

2.2 三自由度1/4動力學(xué)模型建立

車輛模型為研究車輛懸架性能的基礎(chǔ)，假設(shè)車身和車輪均為獨(dú)立的剛體，二者的垂向運(yùn)動互不影響;將輪胎視為具備相同垂向剛度的彈簧，且始終與地面相接觸，建立裝備輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的三自由度車輛振動簡化模型（如圖3所示），三個自由度為車身垂向運(yùn)動、車輪垂向運(yùn)動及電機(jī)垂向運(yùn)動，圖中：q為路面激勵，單位m;為輪胎剛度，單位N/m;為懸架剛度，單位N/m;為懸架阻尼，單位N·s/m;為車身質(zhì)量，單位kg;為電機(jī)質(zhì)量，單位kg;為車輪質(zhì)量，單位kg;為

非簧載質(zhì)量位移，單位m;為車身位移，單位m。

裝備輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車運(yùn)動方程如式2至式4所示。

（2）

（3）

（4）

3 平順性仿真分析

根據(jù)建立的路面及裝備輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的三自由度1/4動力學(xué)模型運(yùn)動微分方程，在Matlab/simulink環(huán)境中進(jìn)行平順性仿真分析。車輛具體參數(shù)如表1所示。仿真工況的B級路面，車速60 km/h。仿真分析結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)論

本文通過對裝備有電動輪內(nèi)減震機(jī)構(gòu)的三自由度1/4動力學(xué)模型建立與平順性仿真分析，獲取了汽車平順性評價指標(biāo)，為車輛懸架的設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫文，王軍年，王慶年，等.電動輪驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真研究[J].汽車工程，2016，38（3）：330-336.

[2]D.Hroat.Influence of unsprung weight on vehicle ride quality[J].Journal of Sound and Vibration， 1988（3）：497-516.

[3]張中南.輪轂電機(jī)式電動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.