輪轂電機電動汽車懸架系統優化研究

任洪卓 陳雙 張宇涵

摘 要：由輪轂電機驅動的電動汽車，其簧下質量較集中電機驅動的電動汽車有所增加，從而導致車輛行駛的平順性和操縱性有所惡化。針對此類問題，以自主研發的輪轂電機驅動汽車為基礎，提出對原車的懸架進行重新的設計優化，此方案共分為兩部分，一為在輪內加裝橡膠襯套，使電機處于被隔離狀態，二為將原車的減震器替換為半主動減震器，此套懸架系統對整車的平順性和操縱性有一定程度上的改善。

關鍵詞：輪轂電機;懸架系統;平順性;操縱性

0 前言

目前汽車行業的發展重心為新能源電動汽車，在眾多種類的電動汽車中，輪轂電機這種驅動形式漸漸走入眾多學者和企業的眼中，受到各個國家的高度重視[1]，與其他形式驅動的電動車相比，輪轂電機直接驅動的電動汽車具備更好的空間利用率、NVH、安全性以及更簡化的底盤結構。

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

隨著此種驅動類型技術難題的不斷攻關，輪轂電機電動汽車擁有巨大的市場前景。為了提高輪轂電機驅動汽車的平順性及操縱性，對其懸架系統的研究有十分重要的意義[5]。

1 輪內減震系統設計研究

1.1 輪轂電機驅動系統的研究

此種驅動形式最早由美國人發明，在1950年代，羅伯特發明了一種電機、傳動系統、制動系統一體的輪轂裝置。目前來說，此種驅動系統共分為兩類，第一類為裝備內定子外轉子類型電機的電動輪系統，第二類為裝備內轉子外定子類型電機的電動輪系統，但是此系統需要為電機適配一個減速機構。我國對輪轂電機驅動系統的研究起步較晚，但也取得了一定成果，如我校自主研發的輪轂電機驅動汽車采用內定子，外轉子型電機，并且可以實現四輪獨立控制，其輪內結構如圖1所示。

1.2 輪內減震系統設計研究

雖然由輪轂電機驅動的電動汽車已經研發多年，并成功造出了實車，但為了使輪轂電機能夠完美的安裝在電動汽車上，消除由于簧下質量增加產生的垂向負效應，國內外學者以及各大企業進行了很多研究。

為了應對輪轂電機驅動系統垂向性能變差的問題，目前主要有三種解決思路：第一種是輕量化設計;第二種思路是對輪轂電機安裝方式進行改進研究;第三種是對改進原車的懸架系統，如重新匹配減震器參數等。對于輪內減震系統的設計，比較著名的為米其林的“主動車輪”，其為輪轂電機在輪內設置了一套主動減震裝置，可以減弱轉彎時的顛簸以及側傾，對汽車的平順性和操縱性也有一定程度的優化，但是其輪內結構過于復雜，無法量產。

考慮到減震效果以及結構實現難度，本文提出可以在輪內設置一套橡膠襯套，其安裝位置為電機與車輪結構的連接處，利用橡膠襯套本身具有的剛度和阻尼，使電機在輪內處于被隔離狀態。在路面激勵的輸入下，振動的傳遞路線為：輪胎、輪輞、橡膠襯套、電機。此種設計對于車輛平順性和操縱性的優化效果雖不如米其林“主動車輪”好，但是勝在結構簡單，易于維修保養，且由于橡膠質量很小，沒有進一步增加汽車的簧下質量，同時又可以同時對車輛的車身加速度，輪胎動載荷，懸架動行程起到一定的優化作用。

2 半主動懸架控制策略的研究

考慮到輪內減震系統對于車身加速度、輪胎動載荷、懸架動行程的優化效果有限，提出將原車的減震器替換為半主動減震器，二者共同構成輪轂電機驅動汽車懸架系統，其中對于平順性和操縱性優化效果影響最大的為半主動減震器的控制策略。

目前現存的控制策略可分為經典控制策略、現代控制策略以及智能控制策略三種。其中典型的經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阻尼器來控制簧載質量的振動，當振動頻率小于一階共振峰后不動點處的頻率時，此種控制策略對于車身加速度有很好的優化效果。現代控制策略有線性二次型最優控制、自適應控制等。智能控制策略以模糊控制為代表，它利用人類的經驗來建立控制規則，根據信號來決定輸出。為了能夠將不同控制策略的優勢發揮到最大，同時避免其先天劣勢造成的不良影響，目前主流的發展方向是將不同的控制策略相結合，以達到互補的效果。因此復合控制策略被廣大學者認為是汽車懸架未來的主要發展方向。

綜合考慮，本文采用頻分控制法對半主動減震器進行控制，其主要思想為根據車身震動頻率，切換合適的控制策略進行相應的控制，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點處的頻率。由于天棚阻尼控制算法對于低階頻率振動有很好的抑制效果，ADD控制算法在整個頻段都能很好的抑制車身振動。因此，本文所提出的頻分控制法具體操作為當懸架振動頻率小于等于不動點處頻率時根據天棚阻尼控制算法設計控制器;當懸架振動頻率大于不動點處的頻率時根據ADD控制算法設計控制器，頻分控制策略對車輛的平順性和操縱性有很大程度上的優化效果。

3 結論

本文以自主研發的輪轂電機驅動汽車為基礎，以優化車輛的平順性和操縱性為目標，提出設計一套由兩部分組成的懸架系統，第一部分為以橡膠襯套為基礎的輪內減震機構，第二部分為由頻分控制法控制的半主動減震器。此套懸架系統的提出，對輪轂電機驅動汽車的平順性和操縱性有一定程度上的優化，對輪轂電機驅動汽車減震系統的發展也有一定意義。

參考文獻：

[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.

[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.輪轂電機式電動汽車行駛平順性與安全性研究[D].南京：南京林業大學，2014.

[4]汪志強.輪轂電機對車輛操縱穩定性和平順性的影響研究[D].長春：吉林大學，2014.

[5]馬英.電動車輪構型分析與結構研究[D].重慶大學，2013.